Wykład 8b. Oceny ekonomiczne uprawy roslin energetycznych(1), Ze studiów

Temat 4.5. Plonowanie roślin i nakłady materiałowo-energetyczne

Źródło: Oceny ekonomiczne. [W:] Modelowanie energetycznego wykorzystania biomasy. Falenty – Warszawa. Wydawnictwo ITP. 2010: 158-182.

Spis treści

Temat 4.5.1. Efektywność ekonomiczna produkcji biomasy z wierzby wiciowej w świetle badań modelowych

Temat 4.5.2. Koszty i opłacalność produkcji roślin  energetycznych – wyniki badań terenowych

Temat 4.5.1. Efektywność ekonomiczna produkcji biomasy z wierzby wiciowej w świetle badań modelowych

Źródło: Jan PAWLAK. Efektywność ekonomiczna produkcji biomasy z wierzby wiciowej w świetle badań modelowych. [W:] Modelowanie energetycznego wykorzystania biomasy. Falenty – Warszawa. Wydawnictwo ITP. 2010: 158-170.

Streszczenie

Koszty wykonania prac w produkcji biomasy z wierzby wiciowej (Salix viminalis L.) maleją, a efektywność produkcji rośnie wraz ze zwiększaniem obszaru plantacji. Efektywność nakładów w produkcji biomasy z wierzby zależy też od stanowiska, na którym plantacja jest zakładana. W warunkach jednakowej ceny biomasy i środków mechanizacji celowość zastosowania wariantu technologii, cechującego się wyso­kim poziomem mechanizacji jest tym większa, im większy jest obszar plantacji oraz im droższa robocizna. Na plantacji o powierzchni 0,5 ha, gdy koszt robotnikogodziny wynosi 8 i 10 zł, zastosowanie tego wariantu technologii jest niecelowe.

WSTĘP

Dynamiczny rozwój przemysłu w krajach azjatyckich oraz zmiana sytuacji w rolnictwie krajów zachodnich stwarzają potrzebę nowego podejścia do gospo­darki energetycznej na obszarach wiejskich [RIVA 2006]. Zwiększa się zapotrze­bowanie na energię, a tymczasem świat staje wobec perspektywy wyczerpania zasobów kopalnych surowców energetycznych. Poważnym problemem jest nega­tywny wpływ rosnącego zużycia energii na środowisko naturalne. BEST [2006] twierdzi, że w bieżącym stuleciu należy oczekiwać ewolucji w kierunku gospodar­ki bazującej na zastosowaniu energii pochodzącej z biomasy, której głównymi dostarczycielami będą rolnictwo i leśnictwo. Biomasa jest ściśle powiązana z rol­nictwem, a w Polsce jest ona obecnie głównym odnawialnym źródłem energii. Ponadto funkcjonuje pogląd, że specjalne plantacje roślin drzewiastych i zielnych korzystnie wpływaj ą na jakość gleby i wody. Zapewniają one zmniejszenie spływu, strat osadów i ograniczenie transportu składników pokarmowych w porównaniu z tradycyjną rolniczą produkcją roślinną [TOLBERT 2002].

Produkcja energii z biomasy ma sens wówczas, gdy ilość uzyskanej energii przekracza ilość energii wydatkowanej na wszystkich etapach produkcji, przetwa­rzania i wykorzystania oraz gdy koszt jednostki uzyskanej energii jest niższy lub co najmniej równy kosztowi takiej samej jednostki energii z konwencjonalnych jej źródeł. Zastępowanie paliw kopalnych nośnikami energii pochodzącymi z zasobów odnawialnych musi być zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju. SlMS [2003] stwierdza, że nowe rozwiązania w zakresie gospodarki energetycznej muszą być przyjazne środowisku, akceptowane przez społeczeństwo, a związane z nimi koszty jednostkowe powinny być niższe w porównaniu z kosztami zastosowania paliw pochodzących ze źródeł kopalnych.

Wyniki prowadzonych w różnych krajach badań energetycznej efektywności produkcji energii z biomasy oraz jej wpływu na środowisko naturalne nie zawsze są jednoznaczne. Według PlMENTELA i PATZEKA [2005], ponoszone w USA sku­mulowane nakłady energii na produkcję etanolu, a w mniejszym stopniu biodiesla, przewyższają wartość opałową uzyskiwanych paliw. Wyniki badań prowadzonych w Tajlandii nie potwierdzająjednak tej opinii. Zastosowanie biomasy do produkcji energii w warunkach tego kraju okazało się uzasadnione ze względu na bilans energetyczny [CHAMSING i in. 2006]. Przyczyną niezgodności wyników jest praw­dopodobnie zróżnicowanie stosowanych technologii produkcji, a także warunków klimatycznych oraz rodzaju upraw energetycznych.

PlMENTEL [2003] oraz PlMENTEL i patzek [2005] wskazują też na negatywne dla środowiska naturalnego skutki produkcji paliw ciekłych z biomasy. Także ba­dacze belgijscy (DE NOCKER i in. [1998; 2000]; SPIRINGS i in. [2000]) twierdzą, że zastosowanie biodiesla powoduje wprawdzie zmniejszenie emisji gazów cieplar­nianych, jednak w warunkach zwiększonej produkcji innych związków szkodli­wych dla środowiska ich spalanie powoduje zakwaszenie atmosfery, eutrofizację wód naturalnych, tworzenie utleniaczy fotochemicznych oraz różnego rodzaju odpadów radioaktywnych i nieradioaktywnych. W efekcie biodiesel jest bardziej szkodliwy dla środowiska niż olej napędowy [DE NOCKER i in. 1998]. Według wyników badań niemieckich jedynym negatywnym skutkiem zastosowania biodie­sla jest natomiast niszczenie warstwy ozonowej [PUPPEN 2002]. Mniej jedno­znaczne, ale też na ogół korzystne dla biodiesla wyniki uzyskano w Indiach [SlNGH i in. 2007].

Występowanie tak dużych rozbieżności stwarza konieczność kontynuowania badań. Przemawia za tym także wielość roślin energetycznych, stosowanych tech­nologii oraz różnorodność warunków ich uprawy i zastosowania. Celem prezento­wanych tutaj badań było dostarczenie danych, umożliwiających racjonalny, pod kątem ekonomicznym i ekologicznym, wybór rodzaju technologii produkcji roślin energetycznych. W wyborze tym powinno się uwzględniać warunki lokalne, mają­ce wpływ na plon i jakość produktu.

ZAŁOŻENIA METODYCZNE I MATERIAŁ ŹRÓDŁOWY

Podstawą badań efektywności nakładów i opłacalności produkcji roślin energe­tycznych jest z jednej strony znajomość wartości uzyskanej produkcji, z drugiej zaś ponoszonych kosztów. Efektywność jest tu rozumiana jako relacja uzyskanego produktu do poniesionych nakładów. Na wartości uzyskanej produkcji i ponoszo­nych nakładów, a pośrednio na efektywność produkcji roślin energetycznych, wpływa wiele czynników. Istnieje potrzeba badań tego wpływu w celu wykazania sposobów poprawy efektywności ponoszonych nakładów. Badania związane z re­alizacją zadań, wynikających z przedstawionych powyżej potrzeb, były prowadzo­ne metodą modelową i przebiegały dwuetapowo. Pierwszy etap polegał na wyzna­czeniu kosztów robocizny i kosztów eksploatacji ciągników i maszyn stosowanych na plantacjach tych roślin. Na wartości wskaźników jednostkowych kosztów wy­konania prac wpływa wiele czynników, m.in. stosowana technologia produkcji, obszar i kształt plantacji, warunki naturalne (rodzaj gleby i ukształtowanie terenu), odległość plantacji i stan dróg dojazdowych, a w przypadku czynności związanych z zakładaniem plantacji - także rodzaj stanowiska, na którym jest ona zakładana. W drugim etapie zsumowano wartości ponoszonych kosztów wykonania prac oraz pozostałych kosztów (sadzonki, nawozy, środki ochrony roślin), a także podatku rolnego. Na ich całość składały się wstępne badania modelowe o ograniczonym zakresie, bazujące na danych z literatury oraz badania empiryczne, prowadzone na wybranych plantacjach roślin energetycznych.

W badaniach modelowych wykorzystano wyniki wcześniejszych badań, pro­wadzonych przez różne ośrodki naukowe. Posłużono się przykładem plantacji wierzby wiciowej (Salix viminalis L.). W ciągu ostatnich lat pojawiło się w Polsce wiele wartościowych publikacji zawierających m.in. opis technologii produkcji tej wierzby z przeznaczeniem do celów energetycznych oraz wyniki badań nakładów i kosztów ponoszonych na zakładanie plantacji, wykonywanie zabiegów w okresie jej użytkowania, a także likwidację. Materiał zawarty w tych publikacjach stanowi źródło danych wejściowych, będących podstawa modelowych i symulacyjnych badań wpływu różnych czynników na nakłady i koszty ponoszone na produkcję wierzby wiciowej. Badania takie miały dostarczyć informacji niezbędnych w wy­borze technologii i skali produkcji z uwzględnieniem istniejących uwarunkowań. Podstawą takiej decyzji jest analiza kosztów wykonania prac w produkcji biomasy z wierzby wiciowej w zależności od powierzchni plantacji, rodzaju stanowiska, na którym jest ona zakładana, oraz stosowanej technologii produkcji. Zakres analizy obejmował cały okres trwania plantacji, począwszy od przygotowania stanowiska i zasadzenia wierzby aż do jej likwidacji i usunięcia karp. Nie obejmował on za­biegów suszenia i magazynowania zebranego materiału oraz transportu do odbior­cy finalnego (np. elektrowni).

Wybór modelowej metody badań był podyktowany potrzebą określenia wpły­wu wybranych czynników z zachowaniem zasady ceteris paribus. Korzystano z danych zawartych w publikacjach autorów prowadzących badania empiryczne nakładów i kosztów ponoszonych w produkcji wierzby energetycznej. Dane z publikacji (m.in. SZCZUKOWSKI, BUDNY [2003], DUBAS i in. [2004], SZCZU-KOWSKI i in. [2004], DUBAS, TOMCZYK [2005], STOLARSKI [2005], PASYNIUK [2007], STOLARSKI i in. [2008]) wykorzystano w opracowaniu kart technologicz­nych uprawy. Rozpatrywano 2 warianty technologii produkcji wierzby energetycz­nej [PAWLAK 2009a, b]. Wariant I charakteryzuje się dużym udziałem prac ręcz­nych. Dotyczy to zwłaszcza sadzenia i zbioru. Transport zebranej masy do miejsca składowania odbywa się w postaci nierozdrobnionej. W wariancie II większość prac jest zmechanizowana, a zbierane pędy są rozdrabniane na polu z bezpośred­nim załadunkiem na środki transportowe i wywożone w postaci zrębków. Charak­terystykę technologii produkcji biomasy z wierzby wiciowej w zależności od za­stosowanego wariantu przedstawiono w tabelach 5.1-5.3.

Koszty szacowano w zależności od obszaru plantacji, uwzględniając wpływ te­go obszaru na wydajność eksploatacyjną podczas wykonywania prac. Przyjęto następujące obszary plantacji (w ha): 0,5, l, 2, 5, 50 i 150. Założono, że we wszystkich przypadkach pola mają kształt prostokąta, a stosunek długości do sze­rokości wynosi 2:1. Duże „zagęszczenie reprezentantów" w przedziale powierzch­ni od 0,5 do 5 ha wynika z tego, że wpływ obszaru pola na wydajność eksploata­cyjną zaznacza się najsilniej w przedziale do l ha, a powyżej 5 ha w przypadku większości prac jest nieznaczny.

Rozpatrywano 3 rodzaje stanowiska, na którym zakładana jest plantacja: grunty orne, trwałe użytki zielone i nieużytki. Rozróżnienie to jest konieczne z uwagi na to, że nakłady związane z przygotowaniem stanowiska pod wierzbę są silnie zróż­nicowane. Są one największe, gdy plantacje zakłada się na nieużytkach, gdzie czę­sto konieczne jest usunięcie zarośli, a najmniejsze w przypadku, gdy przedplonem jest roślina uprawiana na gruntach ornych.

Założono, że czas trwania plantacji wyniesie 20 lat. W związku z tym nakłady związane z zakładaniem i likwidacją plantacji podzielono przez 20, a uzyskane wyniki dodano do rocznych nakładów ponoszonych w czasie użytkowania planta­cji. Założono również, że pierwszy (pielęgnacyjny) zbiór wykonywany jest po pierwszym roku, a kolejne - co 3 lata.

Koszty sadzonek, nawozów mineralnych i środków ochrony roślin oraz plon wierzby wiciowej przyjęto wg danych z badań MUZALEWSKIEGO [2009a]. Wartość produkcji obliczono, mnożąc plon w tonach z ha przez wartość opałową biomasy o danej wilgotności, a następnie przez zakładaną cenę GJ energii biomasy. Dzieląc tę wartość przez sumę kosztów, wyznaczono efektywność produkcji biomasy z wierzby energetycznej [PAWLAK 2008]. Przyjęto następujące dane wejściowe: plon w przeliczeniu na rok użytkowania plantacji - 8,33 t·ha-1 biomasy o wilgotno­ści 55%, wartość opałowa biomasy o tej wilgotności - 7 GJ·t-1, cena biomasy w trzech wariantach - 20,46 zł·G·T-1 (równowartość ceny GJ energii miału węglo­wego w grudniu 2009 r.), 21,4 zł·GJ-1 [MUZALEWSKI 2009a] oraz 25 zł·GJ-1.

Obliczenia kosztów wykonania prac oraz efektywności produkcji biomasy z wierzby wiciowej wykonano z założeniem trzech różnych kosztów robotnikogodziny: 8, 10 i 15 zł.

WYNIKI BADAŃ

Rodzaj zastosowanego wariantu technologii ma wpływ na poziom i strukturę kosztów wykonania prac w produkcji biomasy z wierzby wiciowej.

W przypadku zastosowania I wariantu technologii w strukturze tych kosztów dominuje robocizna (rys. 5.1), stanowiąca od 78 do 84% (gdy cena wynosi 10 zł-rbtf'). Udział roboci­zny zależy od kosztu robotnikogodziny i gdy cena wynosi 15 zł·rbh-1, mieści się w przedziale od 84 do 89%. Zwiększa się on w miarę zwiększania obszaru planta­cji, co jest związane ze wzrostem wydajności prac wykonywanych maszynami na polach o większej powierzchni i pozostawaniem na tym samym poziomie wydaj­ności prac ręcznych.

Zastosowanie II wariantu technologii powoduje natomiast zmniejszenie udziału kosztów robocizny do ok. 6%, gdy cena 10 zł·rbh-1 i do ok. 9% gdy cena 15 zł·rbh-1.

Wskutek wzrostu wydajności eksploatacyjnych podczas prac wykonywanych maszynami wraz ze zwiększaniem obszaru pól obserwuje się też zmniejszenie kosztów wykonania prac. Zmniejszenie to w przypadku zastosowania l wariantu technologii jest stosunkowo niewielkie. Na plantacjach o obszarze 50 i więcej ha koszt wykonania prac, gdy cena robocizny wynosi 10 zł·rbh-1, jest o 8,9% niższy niż na plantacji 0,5 ha. W przypadku jednak zastosowania II wariantu technologii różnica ta wynosi 25%.

Na plantacji o powierzchni 0,5 ha, gdy koszty robotnikogodziny wynoszą 8 i 10 zł, celowe jest zastosowanie pracochłonnego I wariantu technologii, ponie­waż II wariant technologii generuje w tych warunkach wyższe koszty, odpowied­nio o 19,6 i 2,1%. Gdy koszt robotnikogodziny wynosi 8 zł, zastosowanie II wa­riantu technologii jest uzasadnione ekonomicznie dopiero na plantacji o po wierzchni 5 ha, natomiast gdy koszt wynosi 15 zł·rbh-1, nawet na polu o po­wierzchni 0,5 ha celowe jest zastosowanie II wariantu technologii.

Wartości jednostkowych nakładów robocizny podczas zakładania plantacji wierzby energetycznej, uzyskane w wyniku obliczeń z zastosowaniem metody modelowej, były niższe od podawanych w literaturze [KWAŚNIEWSKI 2007a, b, 2008]. Miało to odzwierciedlenie także w kosztach wykonania prac. W budowie modelu przyjmowano optymalną organizację prac, korzystną lokalizację plantacji, dobry stan techniczny stosowanego sprzętu, wysokie kwalifikacje personelu. W praktyce trudno jest spełnić wszystkie te warunki, dlatego wyniki badań empi­rycznych są z reguły mniej korzystne od uzyskanych na podstawie obliczeń teore­tycznych.

W przypadku, gdy cena GJ wartości opałowej wyprodukowanej biomasy z wierzby wiciowej stanowiłaby równowartość ceny GJ energii zawartej w miale węglowym, nawet gdy koszt robocizny wynosi 8 zł·rbh-1, efektywność powyżej l w przypadku zastosowania II wariantu technologii uzyskano by jedynie na planta­cjach o obszarze 50 i więcej ha. Zastosowanie I wariantu technologii byłoby mini­malnie efektywne już na plantacji 2 ha, ale pod warunkiem, że plantacja ta nie by­łaby zakładana na nieużytkach (rys. 5.2).

Jeśli cena GJ wartości opałowej wypro­dukowanej biomasy z wierzby wiciowej stanowiłaby równowartość ceny GJ ener­gii zawartej w miale węglowym, a koszt robocizny wynosiłby 10 zł·rbh-1, mini­malną nadwyżkę wartości produkcji nad kosztami uzyskano by jedynie w przypad­ku zastosowania II wariantu technologii na plantacjach o obszarze 50 ha i więcej, pod warunkiem, że plantacja ta nie byłaby zakładana na nieużytkach (rys. 5.3).

Przyjmując cenę GJ wartości opałowej wyprodukowanej biomasy z wierzby ener­getycznej równoważącą cenę GJ energii zawartej w miale węglowym i koszt robo­cizny, wynoszący 15 zł·rbh-1, uzyskanie wartości wskaźnika efektywności powyżej l byłoby niemożliwe nawet na największych plantacjach, niezależnie od wariantu technologii (rys. 5.4).

W przypadku, gdyby cena GJ wartości opałowej wyprodukowanej biomasy z wierzby energetycznej wynosiła 21,4 zł·rbh-1, a koszt robocizny 8 zł-rbh"1, efek­tywność powyżej l w przypadku zastosowania II wariantu technologii uzyskano by na plantacjach o obszarze 2 ha i więcej, pod warunkiem, że plantacja ta nie byłaby zakładana na nieużytkach. Zastosowanie I wariantu technologii byłoby minimalnie efektywne już na plantacji l ha (rys. 5.5).

Gdyby cena GJ wartości opałowej wy­produkowanej biomasy z wierzby energetycznej wynosiła 21,4 zł·GJ-1, a koszt robocizny 10 zł·rbh-1, efektywność powyżej l uzyskano by jedynie w przypadku zastosowania II wariantu technologii na plantacjach o obszarze 2 ha i więcej, jed­nak pod warunkiem, że plantacja ta nie byłaby zakładana na nieużytkach (rys. 5.6).

Gdyby cena GJ wartości opałowej wyprodukowanej biomasy z wierzby ener­getycznej wynosiła 21,4 zł·GJ-1, a koszt robocizny 15 zł·rbh-1, efektywność powy...