Využití pícních plodin pro výrobu bioplynu

Úvod

Energii z biomasy lze získat z rostlin záměrně pěstovaných pro tyto účely nebo je možné využít odpadní hmotu z rostlinné, živočišné, potravinářské, průmyslové či lesnické výroby a organické zbytky komunálních odpadů. Způsob využití je do značné míry dán fyzikálními a chemickými vlastnostmi biomasy. Důležitým parametrem je obsah sušiny v biomase. Hranice mezi tzv. suchými a mokrými procesy získávání energie je přibližně 50 % obsah sušiny ve hmotě. Mezi suché procesy patří termochemické způsoby přeměny biomasy (spalování, zplynování, pyrolýza), mokré procesy zahrnují biochemické metody (alkoholové a metanové kvašení) a do ostatních postupů patří např. získávání odpadního tepla z technologických procesů aj. (Pastorek et al., 2004).

Anaerobní digesce

Anaerobní digesce (anaerobní fermentace, anaerobní vyhnívání, metanové kvašení, biometanizace a mnoho dalších pojmenování) je vícestupňový proces, při kterém se vstupní organická hmota působením mikroorganismů postupně rozkládá až na konečné produkty, kterými jsou bioplyn a fermentovaný zbytek organické hmoty. Jedná se o pochody, které za určitých podmínek probíhají v přírodě na mnoha místech v sedimentech, zamokřených půdách, rýžových polích, v lagunách, na skládkách komunálních odpadů, v zažívacích traktech přežvýkavců apod. Tvorba bioplynu probíhá ve čtyřech fázích (hydrolýza, acidogeneze, acetogeneze, metanogeneze) přičemž pro každou fázi jsou optimální jiné provozní podmínky z důvodu jiného druhu bakterií, které se v průběhu procesu uplatňují (Gerndtová, 2006; Kocourková, Fuksa, 2006).

K anaerobní fermentaci lze v podstatě využít jakýkoliv organický materiál. Pomocí tohoto procesu byly již od počátku minulého století likvidovány kanalizační kaly. V současné době je možné, podle vstupních substrátů, které jsou zpracovávány, rozdělit bioplynové stanice do tří kategorií.

Zemědělské (farmářské) – zpracovávají organickou hmotu z živočišné výroby (kejda, hnůj) a plodiny pěstované k energetickým účelům.

Průmyslové (kofermentační) – zpracovávají výhradně nebo v určitém podílu rizikové substráty (jateční odpad, čistírenské kaly apod.).

Komunální – zaměřeny na zpracování komunálních bioodpadů (údržba městské zeleně, odpad jídelen aj.).

V rámci dotačního titulu na pěstování energetických plodin je uvedena celá řada jednoletých až dvouletých bylin (laskavec, konopí seté, světlice barvířská, komonice bílá, hořčice sareptská, ředkev olejná, řepice olejná, lilek brambor, řepa cukrová, čirok, proso vytrvalé), víceletých a vytrvalých bylin (mužák prorostlý, šťovík krmný, slézy, jestřabina východní, čičorka pestrá a ostatní jeteloviny) a také skupina energetických trav (sveřep bezbranný, sveřep horský, psineček veliký, chrastice rákosovitá, kostřava rákosovitá, ovsík vyvýšený, srha laločnatá, ozdobnice čínská a ostatní trávy).

Sortiment rostlin vhodných pro anaerobní fermentaci je ve srovnání s výběrem rostlin pro přímé spalování širší. Vhodné jsou zejména rostliny ze skupiny pícních plodin, ať již běžně pěstovaných (kukuřice, jeteloviny, jetelovinotravní směsi, trvalé travní porosty), nebo méně tradičních (topinambur, čirok, sléz, krmný šťovík - šavnat aj.). Největší potenciál pro výrobu bioplynu má v současnosti i v nejbližší budoucnosti bude mít kukuřice a fytomasa z trvalých travních porostů (Usťak, 2002; Váňa, 2003; KWS, 2008; SZIF, 2008).

Využití silážní kukuřice

Celoroční provoz bioplynových stanic vyžaduje kontinuální zásobování fermentoru organickou hmotou. Z tohoto důvodu je nutné vstupní rostlinnou surovinu konzervovat. Nejrozšířenějším způsobem konzervace je silážování a nejvhodnější plodinou pro tento způsob uchování biomasy je kukuřice. Tato plodina se vyznačuje i dalšími přednostmi, pro které je v současnosti k výrobě bioplynu nejvíce využívána. Jedná se zejména o vysoký výnos biomasy z jednotky plochy, velmi dobrý výtěžek bioplynu z 1 kg sušiny, propracovanou pěstební a konzervační technologii a výbornou silážovatelnost. Z dalších výhod lze mj. jmenovat rozsáhlý výběr hybridů s odstupňovanou zralostí a specifickou vhodností do konkrétních klimatických podmínek a technologické možnosti spojené s dlouhodobou tradici pěstování silážní kukuřice v našich podmínkách.

V nedávné době byl zahájen speciální šlechtitelský program pro tvorbu hybridů k energetickým účelům. Hlavním cílem je vyšlechtění hybridů s velmi vysokým výnosem suché hmoty z hektaru a výnosovou jistotou z hlediska odolnosti vůči suchu a chladu. Důraz je kladen na adaptaci pozdních hybridů, vyznačujících se vysokým výnosem, na naše klimatické podmínky a posílení efektu krátkého dne. Z celého technologického procesu výroby bioplynu vyplývají specifické požadavky na konkrétní hybridy kukuřice. Vysoká výnosová výkonnost umožňuje maximalizovat produkci metanu a přispět k vyšší rentabilitě provozu bioplynové stanice. Pro optimální proces tvorby bioplynu je vhodnější nižší obsah sušiny v biomase, než je obvyklé pro krmné účely. Z tohoto důvodu je možné vybírat hybridy s vyšším číslem FAO, které jsou výnosnější. Přesto je nutné, z důvodu úspěšné konzervace, dosáhnout při sklizni minimální sušiny 28 %. Horní hranice sušiny by měla být maximálně na úrovni 32 %. Dalším důležitým parametrem je stabilita výnosů, tj. nízká reakce na vliv ročníku, rychlý počáteční vývin, dobrý zdravotní stav rostliny, tolerance vůči přísušku aj.

Kromě vysokého výnosu hmoty jsou důležité i kvalitativní parametry biomasy. Ve srovnání s kukuřicí určenou pro výživu skotu jsou u hybridů k energetickým účelům požadovány zčásti jiné vlastnosti, které vyplývají z rozdílů při fermentaci hmoty. Doba setrvání biomasy ve fermentoru bioplynové stanice je 30 – 40 dnů, tj. mnohonásobně více než v bachoru přežvýkavců. Na rozdíl od výživy zvířat je cílem fermentace substrátu v bioplynových stanicích maximální produkce metanu, která závisí na vysokém stupni degradability biomasy. Optimální obsah sušiny podporující maximální příjem krmiva zvířaty je 30 – 35 %, pro bioplynové stanice postačuje taková sušina (28 – 32 %), která zamezí odtoku silážních šťáv. Kukuřice sklízená při sušině nad 32 % má pro produkci metanu méně příznivé vlastnosti, neboť při dozrávání se zvyšuje podíl obtížně fermentovatelného ligninu a klesá i degradovatelnost vlákniny. Zároveň se zvyšuje i podíl palic na výnosu, a tím narůstá výnos škrobu, který není pro fermentační zařízení ve vysokém množství potřebný (KWS, 2008).

Použití digestátu

Agrotechnika a technologické postupy konzervace kukuřice pro zpracování hmoty v zařízeních na výrobu bioplynu se v současné době prakticky neliší od požadavků na silážní kukuřici ke krmným účelům. Za připomínku však stojí použití digestátu z bioplynové stanice jako hnojiva. Podle legislativy je digestát organické hnojivo typové, pokud splňuje podmínku minimálně 25 % spalitelných látek v sušině a minimální obsah dusíku 0,6 % v sušině a spadá do kategorie hnojiv s rychle uvolnitelným dusíkem. Využití i dávkování digestátu jako hnojiva je srovnatelné s kejdou, s ohledem na obsah živin, především dusíku. Pro aplikaci platí obdobné zásady definované pro hnojení tekutými organickými hnojivy. Pro kukuřici je vhodné rozdělit celkovou aplikovanou dávku na 2 – 4 aplikace. První dávku je vhodné aplikovat při předseťové přípravě, druhou ve fázi 4 – 6 listů. Případné další aplikace jsou závislé na aplikační technice a průjezdnosti porostem (Váňa, 2007; KWS, 2008).

Využití trvalých travních porostů

Travní fytomasa je materiál, který lze pro anaerobní fermentaci velmi dobře využít, neboť splňuje základní předpoklady, které jsou na vstupní substrát pro výrobu bioplynu kladeny. Obsahuje vysoké procento organické hmoty, blíží se optimálnímu poměru C:N a obsahuje málo popelovin. Podle výzkumu, ve kterém se kofermentovala travní fytomasa s kejdou a digestátem, by měl být optimální podíl travní fytomasy ve zpracovávaném substrátu 35 – 50 %, aby bylo dosaženo co nejvyšší produkce bioplynu. Při vyšším podílu trávy produkce bioplynu klesá. Proces je ovlivněn i stářím fytomasy, přičemž nejvhodnější je fytomasa z ranějších sklizní (vegetativní fáze). Při přechodu do fáze generativní se produkce bioplynu snižuje a rovněž kvalita bioplynu klesá (nižší podíl metanu). Pozitivně lze proces ovlivnit dezintegrací fytomasy, při které dochází k nárůstu produkce bioplynu o 3 – 24 %, přičemž účinnost tohoto zásahu klesá se stářím fytomasy (Kocourková, Fuksa, 2006).

Pro výrobu bioplynu lze využít biomasu jak lučních porostů, které je však nutné sklízet v ranější fázi, tak přebytečnou hmotu z pastevních areálů (posečené nedopasky, sklizená nadbytečná hmota z nerovnoměrného nárůstu píce v jarním období). Kvalita biomasy je ovlivněna botanickým složením porostů. Floristické složení trvalých travních porostů je výslednicí interakce všech ekologických faktorů a podmínek obhospodařování. Za příznivých podmínek v těchto porostech převažují trávy nad jetelovinami a ostatními dvouděložnými bylinami. Přirozený luční porost se skládá zpravidla z 50 – 70 druhů vyšších rostlin (Mrkvička, Veselá, 2001). Hejduk, Hrabě (1999) prokázali, že botanické složení travních porostů není v průběhu let stabilní a mění se v závislosti na ekologických faktorech. Botanická skladba porostů zásadně ovlivňuje jak produkční (výnos, kvalitu píce), tak i mimoprodukční funkce (protierozní, vodohospodářskou, půdotvornou, krajinotvornou, estetickou aj.).

Nejvýznamnější faktor, který ovlivňuje produkci biomasy a mění druhové složení, je hnojení travních porostů. Cílená aplikace živin podporuje rozvoj vzrůstnějších druhů, zejména trav, které potlačují druhy méně konkurenčně zdatné. Vlivem opakované, ale usměrněné výživy převládnou i v původně méně hodnotném porostu druhy z hospodářského hlediska kulturní. Vliv jednotlivých živin na botanické složení porostu je rozdílný a závisí nejen na celkových dávkách, ale i na stanovištních a povětrnostních podmínkách.

Hnojení dusíkem působí na složení porostu nejrychleji a nejintenzivněji. Zvyšuje podíl vzrůstných trav a snižuje zastoupení leguminóz a méně vzrůstných ostatních druhů. Přírůstek výnosu suché hmoty na 1 kg N představuje 10 – 30 kg. Pro dosažení výnosu 6 – 10 t suché hmoty při třísečném využití je obvykle nutné aplikovat 100 – 200 kg N.ha^-1. Dávky do 100 kg N.ha^-1 lze dávat jednorázově, vyšší dávky je účelnější dělit. Optimální termín pro hlavní dávku dusíku je na počátku jarního obrůstání, případné přihnojení průmyslovými hnojivy lze uskutečnit po provedené seči.

Fosfor je v půdě v důsledku pevných vazeb velmi málo pohyblivý, proto efekt hnojení na zvýšení výnosu je zpočátku menší a projeví se až po několika letech hnojení. Roční dávky by měly činit 30 – 50 kg P.ha^-1 a lze hnojit i do zásoby na 2 – 3 roky. Termín aplikace nemá na dynamiku nárůstu píce prakticky vliv (Mrkvička, Veselá, 2001).

Travní porosty mají výraznou schopnost přijímat draslík luxusně. V dávkách do 100 kg.ha^-1 ovlivňuje botanické složení příznivě. Dodaný draslík je nejvíce využíván následující sečí. Proto k zamezení nadbytečného příjmu v 1. seči je vhodnější hnojit louky po 1. seči a pastviny po 2. pastevním cyklu. Soustavná jednostranná aplikace draslíku, zvláště formou statkových hnojiv (močůvka, kejda) způsobuje nepříznivé rozšíření ruderálních plevelných druhů (Velich, Mrkvička, 1988).

Vápnění se doporučuje v intervalu 4 – 5 let pro udržení optimálního pH 5,5 – 6,5. Na půdách s vyšším pH je vápnění neúčelné. Nejvhodnějším hnojivem je mletý (dolomitický) vápenec (Mrkvička, Veselá, 1997).

Ze statkových hnojiv má význam močůvka a kejda. Vliv močůvky na travní porost je značný. Nesprávná aplikace vede ke znehodnocení porostu tím, že podporuje zaplevelení nežádoucími druhy. Optimální dávkování (20 – 40 m³.ha^-1) je 1 x za 3 – 4 roky a dávka se dělí na 2 – 3 části ke každé seči. Nutné je dodání fosforu v množství 2 – 3 kg na 1 m³ močůvky. Kejdu je nejefektivnější aplikovat v jarním období, ale lze ji použít i k přihnojení během vegetace po jednotlivých sečích. Dávka je obvykle 10 – 40 m³. Obdobným způsobem lze k hnojení trvalých travních porostů využít také digestát z bioplynových stanic za předpokladu dodržení legislativních předpisů (nitrátová směrnice ad.) (Mrkvička, Veselá, 2001, Klír, 2008).

Trvalé travní porosty představují ve středoevropských podmínkách významný krajinný prvek i prvek soustavy hospodaření na půdě. Setrvání travních porostů je podmíněno jejich pravidelným využíváním a obhospodařováním, bez něhož by se většina luk a pastvin postupnou regresivní sukcesí přeměnila v lesní společenstvo. Cílené obhospodařování travních porostů je proto nutné k zachování celkové diverzity a k udržení jejich nezastupitelných funkcí v krajině (Mrkvička, Veselá, 2001). Využití biomasy pro účely produkce bioplynu může proto pozitivně přispět k udržení kvalitního stavu trvalých travních porostů v naší krajině.

Poděkování

Problematika je řešena za podpory Výzkumného záměru MSM 6046070901.

Literatura

1. Gerndtová, I., 2006: Využití biomasy trav k energetickým účelům se zaměřením na produkci bioplynu. Bakalářská práce, FAPPZ ČZU v Praze, 60 s.
2. Hejduk, S., Hrabě, F., 1999: Vývoj botanické skladby pastevních porostů vlivem hnojení a způsobu využívání. In: Sborník referátů z mezinárodní vědecké konference Agroregion 99, ZF JČU České Budějovice, 2. – 3. 9. 1999, s. 199-201. http://www.calla.cz/data/energetika/seminare/bioplyn/KlirBPS.pdf
3. Klír, J., 2008: Hnojení digestátem ve zranitelných oblastech. [cit. 24. 11. 2008], uveřejněno 25. 3. 2003, dostupné na internetu
4. Kocourková, D., Fuksa P., 2006: Využití travní fytomasy pro výrobu bioplynu. In: Nové poznatky v pícninářství a trávníkářství. Sborník příspěvků z odborného semináře „Univerzitní pícninářské dny“, ČZU Praha, 12. – 13. 10. 2006, s. 49-51
5. KWS, 2008: Bioplyn – základy kvasné technologie. KWS osiva s.r.o., Velké Meziříčí, 86 s.
6. Mrkvička, J., Veselá, M., 2001: Vliv různých forem hnojení na botanické složení a výnosový potenciál travních porostů. ÚZPI Praha, 26. s.
7. Pastorek, Z., Kára, J., Jevič, P., 2004: Biomasa - obnovitelný zdroj energie. FCC Public, 288 s.
8. SZIF, 2008: Horizontální plán rozvoje venkova, Agroenvironmentální opatření. [cit. 24. 11. 2008], dostupné na internetu: http://www.szif.cz/
9. Usťak, S., 2002: Nedřevnaté technické plodiny perspektivní pro bioenergetické účely v podmínkách ČR. [cit. 24. 11. 2008], uveřejněno 3. 6. 2002, dostupné na internetu: https://biom.cz/clanky.stm?x=92636
10. Váňa, J., 2003: Biomasa pro energii a technické využití. [cit. 24. 11. 2008], uveřejněno 25. 3. 2003, dostupné na internetu: https://biom.cz/index.shtml?x=129197
11. Váňa, J., 2007: Využití digestátů jako organického hnojiva. [cit. 24. 11. 2008], uveřejněno 25. 4. 2007, dostupné na internetu: https://biom.cz/index.shtml?x=1996029
12. Velich J., Mrkvička, J., 1988: Vliv doby hnojení travních porostů draslíkem na výnosy a koncentraci draslíku v píci. Rostlinná výroba, 8, s. 873-881.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost