Výtěžek bioplynu z biomasy jetelovin a trvalých travních porostů

Úvod

Jeteloviny

Celková výměra víceletých pícnin pěstovaných na orné půdě v ČR činila v roce 2009 180 500 ha, z toho na vojtěšku setou a jetel luční připadalo 69 000 ha, resp. 46 500 ha. V procentickém vyjádření plochy víceletých pícnin představují v jednotlivých krajích nyní jen 2,2 – 10,2 % z výměry orné půdy (graf 1), v průměru za Českou republiku pak 6 %. V roce 1990 se víceleté pícniny pěstovaly na 505 000 ha, tzn. na téměř 16 % výměry orné půdy (ČSÚ, 2009). Příčiny výrazného poklesu výměry souvisejí se snižováním stavu skotu a orientací zemědělských podniků na pěstování tržních plodin.

Graf 1: Zastoupení víceletých pícnin na orné půdě (%) v České republice, rok 2009 (ČSÚ, 2009)

Nízké zastoupení víceletých pícnin na orné půdě společně s absencí organického hnojení vede k mnoha negativním důsledkům, zejména ohrožení půdní úrodnosti. Jeteloviny, jako výborné předplodiny, jsou nezbytným předpokladem pro dosažení vyšších výnosů plodin v celém osevním postupu. Jejich kladný účinek spočívá ve značném obohacování půdy o biomasu kořenové hmoty, zlepšování půdních vlastností, uvolňování živin z půdní zásoby, poutání atmosférického dusíku, protierozní působení aj. (Vach, Javůrek, 2008).

V České republice platí od 1. 1. 2009 Kontrola podmíněnosti (Cross-Compliance), tzn., že vyplácení přímých podpor a dalších vybraných dotací pro zemědělský sektor je podmíněno plněním předepsaných standardů a dodržováním povinných požadavků. Součástí Kontroly podmíněnosti jsou i Standardy dobrého zemědělského a environmentálního stavu (GAEC), které zajišťují zemědělské hospodaření ve shodě s ochranou životního prostředí. Nové standardy GAEC, které jsou součástí návrhu nařízení vlády, obsahují mj. v bodě č. 3, že žadatel je povinen na minimálně 20 % jím užívané výměry půdních bloků zajistit každoročně:

1. aplikování tuhých statkových hnojiv nebo tuhých organických hnojiv v minimální dávce 25 tun na hektar, s výjimkou tuhých statkových hnojiv z chovu drůbeže, kde je minimální dávka stanovena na 4 tuny na hektar. Při plnění podmínky zapravením ponechaných produktů při pěstování rostlin (např. slámy) podle jiného právního předpisu není stanovena minimální dávka nebo
2. pokrytí tohoto procenta výměry, popřípadě jeho odpovídající části, v termínu minimálně od 31. května do 31. července příslušného kalendářního roku porostem jedné z následujících plodin, popřípadě jejich směsí: jeteloviny, vikev huňatá, vikev panonská, vikev setá, bob polní, lupina modrá, hrách setý. Porosty výše uvedených plodin lze zakládat i jako podsev do krycí plodiny, popřípadě jako směsi s travami v případě, že zastoupení trav v porostu nepřesáhne 50 % (MZe, 2009)

Zvýšení podílu jetelovin v osevních postupech by umožnilo plnit uvedená kritéria a pozitivně by přispívalo k udržování půdní úrodnosti. Biomasu těchto plodin by v podnicích s bioplynovými stanicemi bylo možné ve větší míře než dosud využít pro výrobu bioplynu.

Trvalé travní porosty

V současnosti jsou aktuální také otázky spojené s uplatněním biomasy trvalých travních porostů, jejichž výměra vzrostla od roku 1990 o 145 000 ha a celková rozloha se blíží 1 mil. hektarů (graf 2). 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 pozitivně přispět k udržení kvalitního stavu trvalých travních porostů v naší krajině (Fuksa, Hakl, 2008).

Graf 2: Výměra trvalých travních porostů (ha) v České republice (ČSÚ, 2009)

Cílem práce bylo porovnat výtěžnost bioplynu z biomasy jetelovin a trvalého travního porostu s různým režimem hnojení.

Materiál a metodika

Porost jetelovin

Odběr vzorků biomasy jetelovin byly proveden v roce 2009 na experimentálním pozemku ČZU v Praze – Suchdole 4. 6. 2009. Nadmořská výška stanoviště je 281 m, půdním druhem je černozem. Průměrná roční teplota je 9,3 ºC, průměrný roční úhrn srážek je 510 mm. Odběry byly realizovány v období nárůstu první seče u vojtěšky seté (odrůda Jarka, porost v pátém užitkovém roce) ve fázi plného kvetení a u jetele lučního (odrůda Vulkán, porost v prvním užitkovém roce) na začátku kvetení. Odběrová plocha byla o rozměrech 33 x 33 cm, vždy ve čtyřech opakováních pro každou variantu.

Graf 3: Průběh kumulované produkce bioplynu (ml.g-1) z biomasy trvalých travních porostů, vojtěšky seté a jetele lučního

Trvalý travní porost

Dlouhodobý experiment sledující vliv hnojení na luční porost typu Alopecuretum byl založen v roce 1966 v Černíkovicích (okr. Benešov) na rovinné úrodné nivní louce mezofytního až mezohygrofytního charakteru v nadmořské výšce 363 m. Průměrný roční úhrn srážek činí 664 mm a průměrná roční teplota stanoviště je 7,2 °C. Půdním typem je glej s hladinou podzemní vody v rozmezí 0,1 – 0,5 m pod povrchem. Pokus je uspořádán metodou znáhodněných pokusných dílců ve čtyřech opakováních. Velikost pokusných parcel je 30 m² (5 x 6 m). Plochy jsou hnojeny různými dávkami živin (celkem 6 variant hnojení). Pro hodnocení byly vybrány varianty hnojení (v kg.ha^-1): N0P0K0, N50P40K100 a N150P40K100. Základní formou hnojiva je ledek amonný s vápencem aplikovaný v jarním období. Fosfor je dodáván ve formě superfosfátu a draslík v draselné soli na podzim. Porost je sklízen trojsečně. V příspěvku jsou hodnoceny výsledky testů výtěžků bioplynu z rostlinného materiálu odebraného při první seči, která byla provedena 4. 6. 2009, vždy ve čtyřech opakováních pro každou variantu.

Graf 4: Průběh kumulované substrátové produkce bioplynu (ml.g-1) z biomasy trvalých travních porostů, vojtěšky seté a jetele lučního

Testy produkce bioplynu

Rostlinný materiál byl zpracován v čerstvém stavu bezprostředně po sklizni sledovaných porostů. Byla provedena základní homogenizace hmoty a nadrcení.

Jednorázové anaerobní metanogenní testy byly prováděny dle metodiky VŠCHT (Dohányos, Zábranská, 2001), kdy jsou testované materiály nadávkovány spolu s inokulem do sérových lahví a plynotěsně uzavřeny. Do 120 ml lahví bylo nadávkováno 80 ml inokula. Do 3 x 5 lahví bylo vloženo po cca 2 g testovaných rostlinných materiálů. Po hermetickém uzavření lahviček je prováděna kultivace v termoboxu při 40 °C po dobu, kdy je vykazována produkce bioplynu. Produkce bioplynu je zjišťována pravidelným měřením (cca 1 x denně) na plynoměrné byretě. Odběr plynu je prováděn přes septum. Výsledkem je křivka produkce bioplynu s možností odečtu celkové produkce, potřebné doby pro průběh rozkladu a dalších parametrů (např. maximální rychlost produkce aj.).

V rámci anaerobních metanogenních testů bylo porovnáváno pět substrátů:

1. Trvalý travní porost N0P0K0
2. Trvalý travní porost N50P40K100
3. Trvalý travní porost N150P40K100
4. Vojtěška setá
5. Jetel luční

Kromě testů produkce bioplynu se substráty byla zároveň provedena kultivace samotného inokula za stejných podmínek, která byla následně odečítána od produkce v testovacích lahvích se substráty. Takto byla získána čistá substrátová produkce bioplynu. Jako inokulum byl použit aktivní mezofilní anaerobní kal z bioplynové stanice Jaroměř, sušina cca 4 %, bez nežádoucí kontaminace těžkými kovy a organickými polutanty. Testy produkce bioplynu byly provedeny společností Bioprofit s.r.o. ve spolupráci s pracovištěm Analytické Laboratoře Plzeň, a.s.

Výsledky a diskuse

V grafu 3 je znázorněn průběh kumulované produkce bioplynu z biomasy trvalých travních porostů, vojtěšky seté a jetele lučního. Nejvyšší celkové hodnoty byly dosaženy u rostlinného materiálu z trvalých travních porostů, které nebyly hnojeny, příp. byla aplikována dávka dusíku 50 kg.ha^-1. Naopak nejnižší produkce bioplynu byla stanovena u porostu hnojeného 150 kg N. ha^-1 a porostu vojtěšky seté. Porost vojtěšky v době odběru byl již ve fázi plného květu, která z hlediska výživy zvířat není pokládána za optimální stadium. Ve srovnání s jetelem lučním, který byl sklizen na počátku kvetení, což odpovídá optimální fázi z hlediska výživy zvířat, byla jeho výtěžnost bioplynu vyšší. Nutriční kvalita píce jetelovin obecně klesá s postupující růstovou fází, což odpovídá především změnám podílu listů a lodyh (Hakl et al., 2009). Tyto výsledky naznačují, že tento pokles kvality negativně ovlivňuje i výtěžnost bioplynu, což bude třeba dále ověřit.

Následující graf 4 znázorňuje kumulovanou substrátovou produkci bioplynu, u které je odečten vliv inokula a je proveden přepočet na přidanou sušinu. Nejvyšší produkce bioplynu byla u všech variant zaznamenána do cca 20. dne sledování, poté již rychlost produkce klesá, ale přesto dále pokračuje až do 80. dne experimentu.

Kvalita biomasy trvalých travních porostů je kromě termínu sklizně ovlivněna výrazně botanickým složením porostů. Jejich floristické složení 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. Nejrychleji a nejintenzivněji působí na složení porostu hnojení dusíkem. Zvyšuje podíl vzrůstných trav a snižuje zastoupení leguminóz a ostatních méně vzrůstných druhů (Mrkvička, Veselá, 2001).

Závěr

Provedené anaerobní testy produkce bioplynu prokázaly velmi dobrou výtěžnost bioplynu z biomasy jetelovin a trvalých travních porostů. Nejvyšší hodnoty kumulované substrátové produkce bioplynu byly získány z trvalých travních porostů hnojených nízkou dávkou N (50 kg.ha^-1), příp. bez dodání živin. Získané výsledky budou dále vyhodnoceny ve vztahu k výnosům a dalším sledovaným charakteristikám. Uplatnění biomasy k výrobě bioplynu může přispět k udržení kvalitního stavu trvalých travních porostů v naší krajině, podobně jako využití jetelovin k tomuto účelu může být jednou z cest k jejich vyššímu zastoupení na orné půdě se všemi pozitivními důsledky, které jejich pěstování přináší.

Poděkování

Práce byla na FAPPZ ČZU v Praze řešena za podpory Výzkumného záměru MSM 6046070901 a projektu VaV SP/3g4/132/07.

Literatura

• ČSÚ, 2009: Zemědělství - časové řady, Osevní plochy zemědělských plodin. [cit. 11. 12. 2009], dostupné na internetu: http://www.czso.cz.
• Dohányos, M., Zábranská, J., 2001: Základní principy anaerobního rozkladu organických látek. In: Sborník z konference Možnosti výroby a využití bioplynu v zemědělství, Třeboň, CZ-BIOM a ČOV Třeboň, s. 15-28.
• Fuksa, P., Hakl, J., 2008: Využití pícnin pro výrobu bioplynu. In: Sborník příspěvků z konference Energetické a průmyslové rostliny XIII, ČZU v Praze, 4. 12. 2008, s. 39-43.
• Hakl, J., Šantrůček, J., Fuksa, P., Krajíc, L., 2009: Podíl listů v píci vojtěšky seté v závislosti na pořadí seče, fázi růstu a struktuře porostu. Výzkum v chovu skotu, LI, 2, s. 19 – 23.
• 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.
• Mrkvička, J., Veselá, M., 2001: Vliv různých forem hnojení na botanické složení a výnosový potenciál travních porostů. ÚZPI Praha, 26. s.
• MZe, 2009: Podpora z EU národní dotace, Podmínky dobrého zemědělského a environmentálního stavu. [cit. 11. 12. 2009], dostupné na internetu: http://www.mze.cz.
• Vach, M., Javůrek, M., 2008: Rostlinná produkce s ohledem na agroekologická hlediska. VÚRV Praha, 20 s.

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