Netradiční energetické rostliny perspektivní pro pěstování v podmínkách mírného klimatického pásma

1. Úvod

Pěstování plodin pro energetické a technické účely má velký ekologický význam projevující se v omezení skleníkového efektu, v úspoře neobnovitelných zdrojů surovin a energie, ve snížení prašnosti v ovzduší a v omezení zaplevelenosti území. Další příznivý efekt je ve vzniku nových pracovních příležitostí a v makroekonomických přínosech. Technické využití biomasy navozuje ekologicky příznivé technologie a umožňuje vznik nových produktů, které neškodí životnímu prostředí.

Obecně se energetické rostliny využívají k výrobě:

1. tuhých biopaliv pro přímé spalování nebo zplynování
2. motorových paliv (rostlinné oleje, bionafta, bioetanol)
3. bioplynu

Z hlediska energetické bilance představují tuhá fytopaliva nejvyšší energetickou účinnost využití biomasy. Energetické vstupy do produkce a zpracování biomasy (včetně započtení energie nutné k výrobě strojů a zařízení) jsou podstatně nižší než je obsah disponibilní energie v biomase. Ve fytoenergetice se mohou využívat jak tradiční plodiny, (většinou jsou to letničky) tak i netradiční rostliny, všeobecně nezemědělské druhy. Energeticky je možno využít i vedlejší produkty nutričních plodin i technických rostlin (například sláma obilovin a řepky, atd.).

2. Jednoleté fytoenergetické rostliny

Jsou z větší části kulturními rostlinami, které je možné rovněž využívat pro fytoenergetické účely. Existují však nekulturní (plevelné) druhy jednoletých rostlin, které produkují velké množství biomasy, a proto jsou perspektivní pro fytoenergetické využití (například lebeda, merlík, atd.).

Mezi kulturní rostliny perspektivní pro energetické zužitkování patří obiloviny, olejniny a pícniny.

U obilovin může být využita pro spalování jenom sláma nebo i celé rostliny. Například, pro tyto účely se často pěstuje a používá tritikale.

Olejniny slouží především pro výrobu technických olejů, bionafty a mazadel, ale kvůli vysoké koncentraci energie mohou být celé rostliny použity i pro přímé spalování. Rovněž sláma olejnin, která je na rozdíl od obilnin hrubá a nepoužitelná pro krmení zvířat, je velice perspektivní pro energetické využití.

Pícniny v zeleném stavu (zvlášť při vysokém obsahu dusíku) se mohou používat pro výrobu bioplynu, v suchém stavu mohou být za určitých podmínek použity i pro přímé spalování.

Kulturní rostliny ze skupiny jednoletých mají dostatečně propracovanou agrotechniku a rovněž ochrana proti chorobám a škůdcům je známa, proto se o těchto rostlinách zmiňujeme pouze okrajově. Některé z méně rozšířených rostlin v České republice (čiroky, hyso, konopí, proso, amarantus) naše oddělení zkoumalo v rámci tříletého projektu MŽP ČR. Pro orientaci uvádíme v tabulce č.1 výsledky statistického hodnocení výnosů vybraných druhů kulturních jednoletých rostlin perspektivních pro svou vysokou biomasu ve fytoenergetice. Průměry uvedené v tabulce a jejich intervaly spolehlivosti jsou získány na základě statistického hodnocení veškerých výsledků polních pokusů odd. ekotoxikologie VÚRV za období 1993-1996 bez ohledu na pozemky (antropogenní a zemědělské půdy) a agrotechnická opatření.

Tabulka 1. Statistické hodnocení výnosů celkové nadzemní biomasy vybraných jednoletých energetických rostlin dosažených na pokusných pozemcích VÚRV v letech 1993-1996.

Plodina	Výnos v přepočtu na standardní 85% sušinu v t.ha-1
	n - počet stanovení	Ø - aritm. průměr	Dolní HIS průměru při a=0,05	Horní HIS průměru při a=0,05
ředkev olejná	8	7,00	6,20	7,80
saflor	36	3,20	1,80	4,60
lnička ozimá	9	3,69	2,50	4,88
lnička jarní	16	2,39	1,70	3,08
len	39	2,24	1,54	2,94
řepice olejná	12	5,23	4,87	5,60
konopí seté	45	9,77	7,48	12,07
koriandr	18	1,86	1,00	2,72
krambe	9	4,81	0,80	8,82
čirok hyso	42	14,8	11,5	18,1
proso hanácké	16	6,00	5,32	6,69
proso unicum	55	7,71	6,77	8,66
čirok zrnový	29	10,5	7,18	13,74
čirok cukrový	42	11,5	8,75	14,28
súdánská tráva	18	9,83	6,92	12,75
slunečnice	43	7,69	6,72	8,67
vojtěška	8	4,39	3,67	6,00
amarantus	8	4,44	2,43	6,45
hořčice	9	2,33	1,87	2,78
pohanka	12	3,40	2,59	4,20

Poznámky:

V rozpětí jsou uvedeny DHIS a HHIS - dolní a horní hranice intervalu spolehlivosti aritm.průměru na úrovni významnosti a=0,05, která je rovna aritm. průměr ± standardní chyba průměru S = Ön x T₀₅ při a=0,05.

Z uvedeného přehledu vyplývá, že největších průměrných výnosů v podmínkách devastovaných půd severních Čech dosáhly čirok „Hyso“, čiroky cukrový a zrnový, súdánská tráva, konopí, ale též ředkev olejná, proso, slunečnice a amarantus.

3. Vytrvalé byliny

Obecně platí, že ekonomicky a energeticky efektivnější je pěstování rostlin víceletých a vytrvalých než tradičních jednoletých (pokud to není vedlejší produkt jako sláma obilovin či olejnin). Pěstováním netradičních vytrvalých plodin lze efektivně snížit celkové náklady na produkci jednotky biomasy a zásadně zvýšit poměr výstupu energie ke vstupu neboli „output/input“ (podle zahraničních zdrojů 4 až 10 krát).

Je to dáno tím, že při pěstování vytrvalých rostlin jsou nejvyšší náklady v prvním roce při založení plantáže (tyto náklady mohou být dokonce mnohem vyšší než u tradičních plodin). V následujících letech celkové náklady na pěstování vytrvalých rostlin prudce klesají, neboť odpadají náklady na zpracování půdy a setí, snižují se náklady na hnojení a chemickou ochranu, atd.

Naše oddělení se problematikou pěstování víceletých a vytrvalých nedřevních energetických rostlin zabývá už řadu let. Jedná se o vysokovzrůstné rostliny, buďto u nás běžně známé, často planě rostoucí, nebo tyto rostliny byly dovezeny jako vyšlechtěné pícniny a jsou zkoušeny jako perspektivní energetické rostliny. Jedná se především o rostliny mírného klimatického pásma, neboť především tyto rostliny mohou najít perspektivu pěstování v naší republice.

Například na antropogenních a běžných zemědělských půdách se nám dobře osvědčily křídlatka sachalinská Reynoutria sachalinensis (F.Schmidt Petropolit) Nakai, křídlatka japonská Reynoutria japonica Houtt., chrastice rákosovitá Phalaroides arundinacea (L.) Rauschert, šťovík krmný Uteuša Rumex tianshanicus x rumex patientia (kříženec šťovíku ťanšanského a zahradního), sléz kadeřavý Malva crispa L. a sléz Meljuka Malva meluca Graebn., mužák prorostlý neboli smoloroň Silphium perfoliatum L., topolovka růžová Alcea rosea L., divizna velkokvětá Verbascum densiflorum Bertol., topinambur hlíznatý Helianthus tuberosus L., jestřabina východní Galega orientalis L., komonice bílá Melilotus albus L., bělotrn modrý Echinops ritro L., atd.

Negativní zkušenosti byly získány s miscanthem (čínský rákos neboli sloní tráva). Tato rostlina je pro účely fytoenergetiky a výroby papíru běžně doporučována v západní Evropě jako stěžejní plodina. Miscanthus vyžaduje mírné zimní období a dostatek vláhy a tepla v době plné vegetace. Na antropogenních půdách chomutovska bylo jeho obrůstání málo intenzívní a docházelo k častému úhynu a vymrzání vysazených rostlin.

Námi sledované porosty vytrvalých rostlin pro fytoenergetiku můžeme rozdělit do třech skupin:

1. experimentální porosty některých víceletých a vytrvalých rostlin (křídlatka japonská, sloní tráva, šťovík krmný, mužák prorostlý, bělotrn modrý, jestřabina východní, topolovka a slézy), založené v letech 1992-1994.
    
2. nově založené porosty vytrvalých rostlin (1996) za účelem detailního zkoumání agrotechniky, ochrany a výživy těchto plodin a vypracování technologií jejich pěstování (přesné polní pokusy).
    
3. planě rostoucí porosty rostlin včetně plevelů na ladem ležících půdách (pilotní experiment).

Účelem přesných polních pokusů je sledování a otevření následujících agrotechnických parametrů:

1. optimální termíny setí nebo výsadby
2. optimální výsevky, vzdálenost rostlin od sebe, šířka řádků a spon
3. konkurenční schopnost sledovaných rostlin, způsoby odplevelení porostů
4. hnojení a výživa rostlin
5. produkční potenciál a výnosy jednotlivých plodin

V tabulce č. 2 jsou uvedeny některé parametry pro založení plantáží vytrvalých rostlin.

Tabulka 2. Zakládání plantáží víceletých a vytrvalých energetických rostlin.

rostlina	termín setí/ výsadby (měsíc)	výsevek, kg/ha nebo ks/ha	hloubka setí / výsadby (cm)	šířka řádků (cm)
křídlatka	III. - IV.	oddenky 20 tis.ks	10 - 15	100 x 50
lesknice kanárská	IV.	10	5	25
šťovík krmný	IV. - VII.	6	1,5	50
jestřabina	IV.	20	3	25
mužák	IV. - X.	15	3	50
topolovka	IV. - V.	5	2	50
slézy	IV. - VI.	5	2	50

Sklizeň energetické fytomasy celých rostlin se provádí v období maximální sušiny v pozdním podzimu, někdy až po přemrznutí.

Jedním z důležitých hledisek podle kterého je posuzována vhodnost biomasy pro energetické účely je spalné teplo jednotlivých rostlinných druhů. V tabulce č. 3 jsou uvedeny výsledky hodnocení energetické výtěžnosti sledovaných rostlin ve srovnání s některými tradičními plodinami. Energetická výtěžnost v tabulce č. 3 vychází ze zjištěného spalného tepla a výnosů suché hmoty sledovaných plodin.

Tabulka 3. Energetická výtěžnost fytomasy jednotlivých plodin (v průměru let a různých stanovišť VÚRV)

rostlina	spalné teplo (s popelovinami) MJ/kg sušiny	výnosy suché hmoty t/ha	energetická výtěžnost GJ/ha
Kulturní malorozšířené plodiny:
konopí seté	18,1	12,05	218
čirok zrnový	17,6	9,83	173
čirok cukrový	17,8	10,2	182
lnička setá	18,8	2,11	39,7
Netradiční plodiny
křídlatka	19,4	34,4	667
šťovík krmný	18,3	15,5	284
sléz Meljuka	17,5	9,83	172
sléz kadeřavý	17,6	9,92	175
topolovka růžová	17,6	13,4	236
mužák prorostlý	18,9	11,2	201
bělotrn	19,6	16,5	323
boryt	18,5	10,8	200
komonice bílá	19,9	12,2	243
rákos	17,7	12,6	223
Plevelné rostliny na ladem ležících půdách
lebeda rozkladitá	17,5	15,8	277
vratič obecný	18,1	12,9	234
pelyněk černobýl	17,6	15,4	271

Absolutně nejvyšší výnosy energetické fytomasy byly získány pěstováním křídlatky sachalinské a japonské. Tato rostlina je považována za rostlinu expandující. Při pěstování na založené plantáži se však dobře daří udržovat ji na určeném stanovišti kultivací okolního prostoru. Její semena u nás zpravidla nedozrávají, množí se především oddenky, čímž je její expanze do značné míry omezená. Kromě toho křídlatka sachalinská, která je perspektivnější pro fytoenergetiku z důvodu vyšších výnosů dosahujících hodnot 25-40 t, při dobrých podmínkách až 60 t suché biomasy z 1 ha, má mnohem nižší schopnost k expanzi oddenky než křídlatka japonská.

Vysokých výnosů fytomasy dosáhl šťovík Uteuša. Je to kříženec šťovíku ťanšanského a zahradního. Šťovík krmný je velice perspektivní rostlina původně vyšlechtěná jako vysokoprodukční pícnina zvlášť vhodná pro silážování. Navíc tato rostlina je velice perspektivní pro výrobu bioplynu neboť je schopna dávat během 2-3 sečí 80 až 120 tun zelené hmoty za rok. Je to vytrvalá plodina (na stejném stanovišti může vydržet 12 až 18 let), odolná vůči vymrzání (což je zejména aktuální v posledních letech), má vysoké konkurenční schopnosti vůči plevelům (v druhém a následujících letech). Je to ranná pícnina, jež je schopná již koncem dubna, začátkem května dosáhnout výnosu 35-40 tun zelené hmoty na 1 ha. V době vegetace narůstají v dobrých podmínkách v průměru 3 tuny zelené hmoty na 1 ha během 24 hodin.

Ostatní plodiny ustupují šťovíku a křídlatce v energetické výtěžnosti z 1 ha, i když předčí tradiční plodiny. Vysokých výnosů dosahují jestřabina a komonice, ty jsou s ohledem na vysoký obsah dusíku perspektivní především pro výrobu bioplynu. Tyto plodiny jsou též vhodné do směsek porostů energetických plodin, neboť zvyšují úrodnost půd a snižují potřebu hnojení. Kromě toho bylo zjištěno, že komonice je nejvhodnější pionýrskou plodinou pro biologickou rekultivaci antropogenních zemin (důlní výsypky a složiště popele).

Pro zelené hnojení zaplevelených pozemků jsou velice perspektivní slézy kadeřavý a Meljuka, neboť při patřičném organickém hnojení rostou velice rychle a dokonce mají vynikající konkurenční schopnosti vůči plevelům.

Z předkládané tabulky č. 3 je patrné, že relativně vysoké výnosy a spalné teplo mají také plevelné rostliny na ladem ležících plochách (vratič, pelyněk, lebeda, rákos). Z tabulky vyplývá poměrně značný výnosový potenciál, který lze získat z ladem ležící půdy. Nejvyšších výnosů (v přepočtu od 10 do 18 t suché hmoty na 1 ha) bylo zjištěno u lebedy, pelyňku a rákosu. Tyto nekulturní plevelné druhy rostou na úhorech, ladem ležící zemědělské půdě, zaplevelují okolní obdělávané pozemky a jsou zátěží znemožňující případné zemědělské využití a mnohdy jejich pyl způsobuje alergické reakce (pelyněk). Současně tyto porosty ale mají významný potenciál pro zužitkování ve fytoenergetice. Sklizeň plevelných rostlin na energetickou fytomasu přispěje ke zkulturnění a částečnému zužitkování ladem ležících pozemků.

4. Závěry

1. Hodnocení dlouhodobých pokusů s pěstováním fytoenergetických rostlin jednoznačně prokázala přednost vytrvalých netradičních druhů rostlin před kulturními jednoletými plodinami.
    
2. Absolutně nejvyšší výnosy celkové nadzemní biomasy a energetickou výtěžnost na pokusných plochách vykázaly porosty křídlatky japonské a sachalinské. Expandovatelnost křídlatky z pokusného stanoviště na okolní pozemky se plně dařila omezit kultivací okolí porostů této plodiny.
    
3. Jako další perspektivní energetické plodiny s ohledem na vysoké potenciální výnosy zelené hmoty pro výrobu bioplynu nebo suché fytomasy pro spalování na jedné straně a nízké nároky na pěstování na straně druhé se jeví šťovík krmný „Uteuša“, topolovka růžová a smoloroň neboli mužák prorostlý.
    
4. Byl prokázán významný výnosový bioenergetický potenciál planě rostoucích rostlin na ladem ležících zemědělských půdách.
    

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

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