Nedřevnaté technické plodiny perspektivní pro bioenergetické účely v podmínkách ČR

1. Úvod.

Rostliny, které se pěstují pro jiné účely než získání potravin a krmiv, jsou souhrnně nazývány technické plodiny. Pro technické plodiny, které se pěstují za účelem získání energie, se vžil název energetické plodiny. Příprava ČR na vstup do Evropské Unie vyžaduje změnit dosavadní přístup vedení MZe ČR k pěstování energetických plodin. V současné době nadprodukce potravin a výrazné potřeby ekologizace průmyslu a zemědělské výroby významně vzrostla úloha technických a energetických plodin, což našlo odraz v rozsáhle podpoře jejich pěstování ve státech EU. Pěstování energetických plodin je zařazeno jako preferovaný způsob vyjmutí orné půdy z produkce. Nárok na státní dotaci v EU vzniká při vyjmutí min. 5 až max. 10 % celkové výměry orné půdy v hospodářství. Výše podpory dosahuje 63 EU/tunu potenciálního výnosů obilovin na vyjmuté půdě, což v přepočtu činí cca. 10 -11 tis. Kč na 1 ha. Od roku 2001 zavedlo MZe ČR obdobný systém vyjímání půdy z produkce v povinném rozsahu 5-10 % orné půdy a dotaci 5500,- Kč na 1 ha. Je to bezesporu akt výjimečného významu, který umožňuje aktivizovat zájem o fytoenergetiku v České republice.

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 ovzduší a v omezení zaplevelenosti území. Další příznivý efekt spočívá 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. Pěstování energetických plodin tak plní mimoprodukční funkce, které jsou významným úkolem moderního zemědělství.

Výsledným produktem z energetických plodin jsou biopaliva (fytopaliva), která mohou být tuhá (řezanka, balíky, brikety, pelety atd.), tekutá (rostlinné oleje, bionafta, bioetanol) nebo i plynná (bioplyn). Z hlediska energetické bilance představují tuhá fytopaliva nejvyšší energetickou účinnost využití biomasy, což znamená, že energetické vstupy do produkce a zpracování biomasy (včetně započtení energie nutné k výrobě strojů a zařízení) jsou podstatně nižší, než je obsah disponibilní energie ve výsledné produkci.

Jako energetické rostliny se mohou využívat jak tradiční zemědělské plodiny, tak i netradiční rostliny - všeobecně nezemědělské druhy. Energeticky je možno výhodně zužitkovat i vedlejší produkty nutričních plodin a technických rostlin (například slámu obilovin a olejnin, atd.).

Cílené pěstování energetických plodin bude mít v budoucnosti základní význam. Pro jeho úspěšnou realizaci je nezbytné provést cílený výběr a testování plodin vhodných pro pěstování v podmínkách mírného klimatického pásma. Touto problematikou se naše pracoviště - výzkumná stanice VÚRV v Chomutově, zabývá cca. 10 let.

Hlavní kriteriem výběru vhodných plodin pro energetické účely je produkce využitelné biomasy z 1 ha. Z hospodářského hlediska jsou nejdůležitější náklady na pěstování a sklizeň určité plodiny (Kč/tunu sušiny biomasy). Velice důležité jsou i nároky zpracovatelského průmyslu na další získání energie z fytomasy. V případě určení energetické fytomasy pro přímé spalování je hlavním limitujícím faktorem fytopaliva vysoký obsah sušiny. V podmínkách mírného klimatického pásma je to hlavní omezující faktor při výběru vhodných plodin. Plodin, které doschnou na poli nastojato ještě před ukončením vegetačního období, je velice málo (jsou to především jednoděložné rostliny - obiloviny a trávy). Většina vysokoprodukčních plodin vysychá do vhodného stavu až po přemrznutí a jejich následovní sklizeň je spojena s vysokými ztrátami biomasy (30-50 %). Navíc, suchá biomasa určená pro přímé spalování by neměla obsahovat více než 1,5 % dusíku (z důvodů emisních limitů), což značně omezuje výběr vhodných plodin.

V případě zpracování biomasy na bioplyn je vysoký obsah vody a dusíkatých látek v rostlinách dokonce žádoucí, proto je sortiment rostlin vhodných pro anaerobní fermentaci mnohonásobně vyšší ve srovnání s přímým spalováním. Ztráty biomasy při tomto způsobu získání energie jsou minimální. Výhodou výroby bioplynu je příznivá bilance živin, neboť živiny odčerpané sklízenou biomasou mohou být účinně kompenzovány vysoce hodnotným organickým hnojivem, které vzniká při výrobě bioplynu. V případě spalování biomasy můžeme na pole vrátit pouze minerální látky, nikoliv dusíkaté a organické, které mají rozhodující úlohu v úrodnosti půd.

Vznikají i nové perspektivní způsoby získání energie z biomasy nenáročné na stav sušiny. Tyto technologie kombinují výrobu bioplynu a následné zpracování fermentovaných zbytků rostlin do formy tuhých biopaliv (brikety, pelety, atd.). Proto jsme v následujícím hodnocení výběru rostlin vhodných pro pěstování jako energetických plodin v podmínkách České republiky záměrně opustili hodnocení aspektu sušiny a zaměřili se především na produkčně-ekonomické parametry jejich pěstování (tzn. že za nejvhodnější jsou považované plodiny, které poskytují maximální množství biomasy z 1 ha s minimálními náklady).

2. Jednoleté energetické rostliny.

Jsou většinou kulturní rostliny, které je možné rovněž využívat pro fytoenergetické účely. Existují však i nekulturní (plevelné) druhy jednoletých rostlin, které produkují velké množství biomasy a proto jsou perspektivní pro fytoenergetické využití (např. lebeda, merlík, atd.).

Mezi kulturní rostliny, které jsou perspektivní pro energetické využití patří obiloviny, olejniny a pícniny. U obilovin může být využita pro spalování buď jenom sláma nebo i celé rostliny. Například se pro tyto účely často pěstuje a využívá 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 slámy obilnin hrubá a nevyužitelná pro krmení zvířat, je velice vhodná pro energetické využití. Pícniny v zeleném stavu (zvlášť při vysokém obsahu dusíku jako u bobovitých) se mohou používat k výrobě bioplynu, v suchém stavu mohou být za určitých podmínek (kdy je obsah N < 1,5%) použity i pro přímé spalování.

Kulturní rostliny ze skupiny jednoletých mají dostatečně propracovanou agrotechniku a rovněž ochrana proti chorobám a škůdcům je dostatečně známa, proto se o těchto rostlinách zmiňujeme pouze okrajově. V předchozích letech naše oddělení zkoumalo některé zemědělské plodiny, jejichž pěstování v České republice je méně rozšířené. Nejvyšších průměrných výnosů (12-18 t/ha) v podmínkách devastovaných půd severních Čech dosáhly čirok "Hyso", čiroky cukrový a zrnový, súdánská tráva, konopí, za nimi následují ředkev olejná, proso, slunečnice a amarantus s průměrnými výnosy v rozmezí 6-12 t/ha. S ohledem na skutečnost, že většina dat pochází z pokusů prováděných na méně úrodných antropogenních půdách, lze očekávat v podmínkách běžných středně a vysoce úrodných zemědělských půd vyšší výnosy uvedených plodin.

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 - tj. 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 apod.

Naše oddělení se problematikou pěstování víceletých a vytrvalých bylinných energetických rostlin zabývá už řadu let. Jedná se o vysokovzrůstné rostliny, u nás buď běžně známé, často planě rostoucí, nebo jsou tyto rostliny dovezeny (introdukovány) jako vyšlechtěné pícniny a jsou zkoušeny jako perspektivní energetické rostliny. V našem výzkumu se jedná především o rostliny mírného klimatického pásma, neboť pouze tyto rostliny mohou najít uplatnění při pěstování v naší republice. Tyto plodiny můžeme rozdělit na dvě základní skupiny - víceleté trávy a ostatní byliny.

Například na antropogenních a běžných zemědělských půdách se nám dobře osvědčily (viz tab.1) křídlatka sachalinská Reynoutria sachalinensis (F.Schmidt Petropolit) Nakai, 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 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.

Kolegům z výzkumné stanice travinářské v Rožnově se dobře osvědčily kostřava rákosovitá, psineček velký, sveřep vzpřímený a ovsík vyvýšený.

Sklizeň energetické fytomasy celých rostlin se provádí většinou v období maximální sušiny v pozdním podzimu, někdy až po přemrznutí. Absolutně nejvyšší výnosy energetické fytomasy byly získány pěstováním křídlatek sachalinské, japonské a jejich křížence - Reynoutria x Bohemica Chrtek et Chrtková. Bohužel, křídlatka je považována za rostlinu expandující a proto nebezpečnou z hlediska ochrany přírody. Při pěstování na založené plantáži se ji však dobře daří udržovat na určeném stanovišti kultivací okolního prostoru. Její semena u nás dozrávají jen zřídka, a to především u méně perspektivní křídlatky japonské. Proto se křídlatka množí především oddenky, čímž je její expanze do značné míry omezena, zejména při sklizni v suchém stavu. Kromě toho křídlatka sachalinská, která je perspektivnější pro fytoenergetiku z důvodu vyšších výnosů dosahujících hodnot 50-60 t suché biomasy z 1 ha, má mnohem nižší schopnost k rozšiřování oddenky než křídlatka japonská. Nedostatek zralých semen omezuje možnost setí této plodiny, proto se zatím běžně používá výsadba oddenků (např., SRN). Vysoké náklady na založení plantáží křídlatky ze strany jedné a její ekologická závadnost na straně druhé nečiní prozatím tuto plodinu perspektivní pro běžnou zemědělskou praxi.

Vysokých výnosů fytomasy dosáhl šťovík Uteuša (krmný). Je to kříženec šťovíku ťanšanského a zahradního. Šťovík krmný je velice perspektivní rostlina původně vyšlechtěná jako vysokoprodukční pícnina. Navíc je tato rostlina velice perspektivní pro výrobu bioplynu, neboť je schopna dávat během 2-3 sečí 180 až 250 tun zelené hmoty za rok. Je to vytrvalá plodina (na stejném stanovišti může vydržet 15 až 20 let), odolná vůči vymrzání, má vysokou konkurenční schopnost vůči plevelům (v druhém roce a v následujících letech). Je to ranná pícnina, jež je schopná již koncem dubna, začátkem května dosáhnout výnosu 35-40 tun zelené hmoty na 1 ha. Naše víceleté pokusy ukázaly, že je tato plodina málo náročná na hnojení a pěstební podmínky a poskytuje stabilní výnosy biomasy v průměru 15 tun sušiny z 1 ha se sklizňovou zralostí v červenci, což umožňuje snadný výběr vhodného počasí pro sklizeň nebo případné dosušení šťovíku přímo na poli do optimální sušiny pro tuhá biopaliva (15-20 % vlhkosti).

Ostatní plodiny nedosahují v energetické výtěžnosti z 1 ha šťovíku a křídlatky, i když předčí tradiční plodiny. Vysokých výnosů dosahuje jestřabina a komonice, ty jsou s ohledem na vysoký obsah dusíku perspektivní především pro výrobu bioplynu. Tyto bobovité plodiny jsou zejména 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).

Námi zjištěná energetická výtěžnost fytomasy jednotlivých plodin se pohybovala v rozmezí 17,5-19,6 MJ spalného tepla (s popelovinami) na 1 kg sušiny a činila v průměru 18,2 MJ/kg.

Pro zelené hnojení zaplevelených pozemků jsou velice perspektivní slézy kadeřavý a Meljuka, neboť při patřičném organickém hnojení rostou velice rychle a mají vynikající konkurenční schopnosti vůči plevelům. Z předkládané tabulky č.1 je patrné, že relativně vysoké výnosy 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. Nejvyšší výnosy (v přepočtu od 10 do 20 t suché hmoty na 1 ha) byly zjištěny 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 (např., pelyněk). Současně mají tyto porosty významný potenciál pro zužitkování ve fytoenergetice. Sklizeň plevelných rostlin na energetickou fytomasu přispěje ke zkulturnění a částečnému zužitkování ladem ležících pozemků.

Závěry: Mezi perspektivní energetické plodiny řadíme především víceleté plodiny z důvodů nižších provozních nákladů na jejich pěstování. Výběr vhodných plodin je závislý na konečném účelu zpracování biomasy. Hlavními faktory jsou především výnosy biomasy a náklady na pěstování jednotky produkce.

Literatura:

• Frydrych J.: Využiti některých trav jako náhrady spontánních úhorů v marginálních oblastech a negativní jevy na ladem ležící půdě z hlediska zemědělského.- In: Sborník referátů z odborné konference "Energetické a průmyslové rostliny-VI", Chomutov-2000, str. 158-168.
• Povolný P.: Podpora pěstování energetických plodin v ČR a EU.- In: Sborník referátů z odborné konference "Energetické a průmyslové rostliny-VI", Chomutov-2000, str. 136-146.

Title: Non-wood technical crops perspective for bioenergetic purposes in condition of Czech Republic

Abstract: This paper describes different non-wood crops perspective for phytoenergetics. As energetic crops there are suitable cereals, oil and sugar plants, herbs, grasses and fast growing woods. Long-term field experiments confirm, that the most perspective non-traditional crops for bioenergetic purposes are the following crops: knotweed Reynoutria spp., red-kanaris grass Phalaroides arundinacea (L.) Rauschert, sorrel of Uteusch Rumex tianshanicus x Rumex patientia, mallow Malva spp., silfia Silphium perfoliatum L., mallow rose Alcea rosea L., topinambur Helianthus tuberosus L., etc. These are very perspective high productive energic crops for growing in the middle climatic conditions. In the course of one-shot annual harvest in drought state these crops steady offers in average c. 10-30 tons of the dry aboveground biomass, which even exceed the yield common level of fast growing woods. Advantage of the cultivation and harvest of these crops is highly technological potency and possibility to use of ordinary agricultural techniques.

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