Krmný šťovík a jeho využití pro výrobu bioplynu

Úvod

Krmný šťovík byl původně vyšlechtěn pro krmné účely jako vysoce kvalitní objemná píce. U nás jsme jej začali využívat hlavně jako energetickou biomasu, především pro přímé spalování, pro jeho vysoký vzrůst i řadu dalších příznivých vlastností. Pro krmení hospodářských zvířat jsme jej zatím nedoporučovali, protože je u nás dostatek objemné píce, vzhledem k radikální redukci stavů skotu. Vzhledem k jeho skutečně vynikajícím krmným hodnotám jsme v poslední době začali uvažovat o jeho energetickém využití též při vzniku bioplynu, obdobně jako se k němu využívá běžně kukuřice. V tomto příspěvku přinášíme nyní výsledky prvních testů v porovnání s kukuřicí.

Vlastnosti krmného šťovíku a jeho uplatnění

Krmný šťovík  Rumex OK 2 je kvalitní plodina vyšlechtěná na Ukrajině křížením šťovíku zahradního a tjanšanského. Zárukou jeho vysoké kvality je šťovík zahradní, vysokou vzrůstnost a toleranci vůči nepříznivým povětrnostním vlivům je dána šťovíkem tjanšanským. Jedná se o vytrvalou plodinu, která vydrží na svém stanovišti 10 (i více) let. V našich podmínkám zatím máme již 8letý porost, takže lze oprávněně předpokládat, že při správném ošetřování jej lze udržet na stanovišti až po dobu 10 let v dobrém stavu. Pro přímé spalování byl Rumex OK 2 ověřen již mnoha způsoby s řadou výhod, především proto, že se sklízí v plné zralosti začátkem července. To umožňuje získat biomasu o vysoké sušině, což se v řadě dalších „energetických“ bylin zpravidla nedaří tak snadno. Sklízí se tedy v dokonale suchém stavu, aby jej bylo možné i dobře uskladnit. Příkladem může být následující přehled, včetně stanovení obsahu popele a výhřevnosti šťovíkové biomasy (tabulka č. 1).

Tabulka č. 1: Přehled výhřevnosti šťovíkové biomasy

vzorek	%		MJ/kg
	voda	popel	spalné teplo	výhřevnost
původní	12,51	1,85	16,77	15,35
bezvodý	-	2,11	19,17	17,89

Z hlediska spalovacích procesů jsou příznivé rovněž teploty tavitelnosti popele, neboť vykazují všeobecně vysoké hodnoty: teplota spékání (sintrace) t_S - 1191ºC, počátku deformace t_A - 1306ºC, tání t_B – nad 1500ºC, tečení t_C – nad 1500ºC. V tomto směru se Rumex OK 2 podobá dřevní biomase a liší se tak zásadně od ostatních stébelnin (slámy aj.), které někdy způsobují spékavost paliva v kotli, v důsledku nižší tavitelnosti popelů.

Pro využití krmného šťovíku jako krmné píce nebo i pro výrobu bioplynu se šťovík sklízí na zeleno, zpravidla již začátkem května, s následným silážováním či senážováním. V té době má vysokou krmnou hodnotu, a je proto nejvhodnější pro krmení. Později rychle stárne a kvalita krmení se zhoršuje. Po květnové sklizni znovu rychle obrůstá a lze jej proto sklízet na zeleno opakovaně, v červenci a pak případně i po třetí, začátkem září. Podle stanovených krmných hodnot je siláž ze šťovíku vysoce kvalitní, dokonce lepší než siláž vojtěšková či kukuřičná, jak je zřejmé z uvedeného přehledu (tabulka č. 2).

Tabulka č. 2: Siláž z různých druhů rostlin

g/kg v sušině	siláž z různých druhů rostlin
	šťovík	vojtěška	kukuřice (mladá)
NL – dusíkaté látky	194,56	166,7	113,1
Tuk	20,45	36,6	29,8
Vláknina	157,99	345,5	309,5
Popeloviny	121,10	121,9	93,3
BNVL - bezdusíkaté látky výtažkové	508,62	329,3	433,4

Krmné hodnoty siláže šťovíku pochází z konkrétní analýzy relativně mladých rostlin. Pro názornost jsou porovnány s hodnotami siláže z vojtěšky a z kukuřice, které jsou převzaty z průměrů dle krmivářských tabulek používaných v ČR. Jak je z těchto údajů zřejmé, je šťovíková siláž optimálně vyrovnaná jak podle obsahu dusíkatých látek, tak i bezdusíkatých látek výtažkových. Uvedené hodnoty svědčí jednoznačně o vysoké krmivářské kvalitě. Tato kvalita se projevila i při zvýšené užitkovosti v případech, kdy byl šťovík využíván ke krmení: zvýšila se dojivost i přírůstky mladého dobytka na výkrmu. Příznivé zkušenosti s krmením šťovíku byly získány i v ČR u pěstitelů, kteří začali šťovík využívat též ke krmení, i když byly porosty původně určeny pro energetické účely. Na základě těchto praktických zkušeností si v poslední době někteří pěstitelé zakládají porosty krmného šťovíku již i výhradně pro účely krmné, aby měly zajištěny skutečně kvalitní krmivovou základnu. U nás je sice zelené píce až nadbytek vzhledem ke snižovaným stavům skotu, ale tráva z trvalých travních porostů neskýtá často dostatečnou kvalitu.

Na základě uvedených úspěchů při krmení skotu šťovíkem, lze oprávněně předpokládat, že budou dobré výsledky i při použití šťovíku pro výrobu bioplynu a to na základě zásady: co je dobré pro bachor krávy, je dobré i pro vývin bioplynu. Tento předpoklad je ale nutné prokázat konkrétními výsledky. Proto jsme za tímto účelem zajistili testy, ve kterých porovnáváme vývin bioplynu s přídavkem šťovíku se stejným přídavkem kukuřice. Protože jsme v letním období neměli k dispozici siláž kukuřice ani šťovíku, použili jsme pro tyto první testy zelenou hmotu obou plodin. V případě šťovíku byly použity listy nově obrostlé po letní sklizni (při plné zralosti), z kukuřice jsme vybírali co nejmladší rostliny, aby byly pokud možno co nejvíce srovnatelné s mladým šťovíkem.

Pro tyto modelové testy bylo zařazeno v rámci každé použité plodiny vždy 5 variant:

1. kontrolní kejda
2. digestát z BPS
3. 20 % kejdy + 20 % digestátu + přídavek 60 % zelené hmoty kukuřice, nebo šťovíku
4. 15 % kejdy + 15 % digestátu + přídavek 70 % zelené hmoty kukuřice, nebo šťovíku
5. 10 % kejdy + 10 % digestátu + přídavek 80 % zelené hmoty kukuřice, nebo šťovíku

Tabulka č. 3: Parametry vstupních materiálů pro anaerobní digesci

parametry materiálů	sušina (%)	pH
digestát BPS	2,12	8,1
kejda	8,96	7,2
kukuřice (celá rostlina po sklizni)	20,74	5,8
šťovík (celá rostlina po sklizni)	10,17	6
pokusný substrát
kukuřice drcená	18,58	5,8
šťovík drcený	10,38	6
směsný substrát pro laboratorní pokusy	8,0	7,6

Doba zdržení: 25 dnů

Důležité je poměrně vysoké pH šťovíku, tj. 6, (dokonce vyšší než kukuřice - 5,8), což vyvrací častý názor, že je šťovík kyselý a dále potvrzuje, že se jedná o kvalitní krmnou plodinu.

Diskuse k výsledkům

Po 25 dnech testování lze konstatovat, že intenzita vývinu bioplynu dle kumulativní produkce je u obou testovaných plodin v podstatě stejná - viz grafy na obrázcích 7 až 10. Obdobný je výsledek i při hodnocení podílu CH₄ a CO₂, ten se pohybuje u obou plodin mezi 65 až 70 % od patnáctého dne pokusu. Produkce metanu je v případě všech 3 variant se šťovíkem velmi vyrovnaná, podle výše hmotnostního podílu přídavku šťovíku se téměř neliší (pro kukuřici to ovšem platí také).

Závažnou skutečností na kterou chceme upozornit je doba zdržení materiálu ve fermentoru. Téměř u všech substrátů, které jsou k dispozici se jedná o snadno rozložitelné substráty a lze říci, že produkce bioplynu končí v zásadě do 30 dnů. Ve skutečnosti produkce bioplynu většinou velmi pomalu pokračuje dál, ale z hlediska praktického využití již nemá tato malá část plynu ekonomický význam. Je možné říci, že většina obdobných materiálů bude mít dobu zdržení 25 - 30 dnů a na tuto dobu se pak navrhuje velikost fermentoru (podle množství a objemu materiálu pro denní náplň).

Tuto skutečnost obecně shrnuje obrázek č. 11. Kumulativní produkce bioplynu dosahuje maxima přibližně ve třiceti dnech, denní produkce bioplynu v tomto retenčním čase klesá na minimální hodnoty. Průběh našeho pokusu však nebyl typický, náběh procesu byl jen pozvolný. K největšímu dennímu vývinu bioplynu došlo u všech vzorků během dvacátého dne pokusu a produkce bioplynu pokračovala ještě dále. Na zpracování živočišných exkrementů a různých vedlejších produktů potravinářských technologií (cukrovary, škrobárny, tukový průmysl, mlékárny, jatky) v bioplynové stanici obvykle stačí jeden reaktor s dobou zdržení do 30 dnů. Jiná situace nastává u silážní kukuřice i dalších zelených materiálů s obsahem hemicelulózy a určitým podílem celulózy. Zde se doba zdržení pro odbourání organické sušiny pohybuje od 50 do 140 dnů. Pro zpracování silážní kukuřice, případně podobných materiálů je potřeba spíše počítat se dvěma reaktory za sebou s dobou zdržení 25 - 40 dnů (celkem 50 až 80 dnů). Podle kvality a doby sklizně silážní kukuřice (sušina 28 až 35 %) se tak dostáváme na rozložitelnost organického podílu 60 až 80 %. Z tohoto pohledu byl náš pokus ukončen předčasně. U každé organické hmoty, probíhá rozkladná fáze poněkud jinak, viz schéma na obr. 12. Vyšší podíl hůře rozložitelné hemicelulózy a zejména celulózy prodlužuje u kukuřice hydrolýzní i acidogenní fázi rozkladu. Důležitým závěrem je, že zpracování kukuřičné, šťovíkové nebo travní siláže proto vyžaduje doby zdržení delší, minimálně okolo padesáti dnů.

Uvedené výsledky našich pokusů je nutné považovat zatím za orientační a dále je ověřovat, zejména přímo v provozních podmínkách bioplynové stanice. Stejně tak bude nutné zjistit výnosy zelené hmoty šťovíku ze všech 2 až 3 sečí v průběhu celého roku a průměrnou sušinu v takto sklizené hmotě. Využívání šťovíku pro výrobu bioplynu oproti kukuřici má některé významné výhody. Především je vhodný do oblastí, kde se kukuřici příliš nedaří, např. do chladnějších vyšších poloh a do kopcovitých terénů. Vytrvalý charakter krmného šťovíku je zárukou dokonalého protierozního opatření, neboť jeho souvislý vegetační kryt spolehlivě chrání půdu před smyvem ornice.

Závěr

První testy produkce bioplynu ze substrátu s přídavkem krmného šťovíku naznačují oprávněný předpoklad možnosti jeho využití i pro výrobu bioplynu, obdobně jako se k tomu běžně používá kukuřice. Praktická využitelnost je dána pouze výnosy, ekonomickými parametry výhodnosti pěstování, sklizně, zpracování a skladování jednotlivých plodin v určitých konkrétních podmínkách. Během našeho pokusu byla doba zdržení pro rozložení těchto materiálů krátká. V praxi je nutné prodloužit dobu zdržení. Kejda a digestát, které jsme měli jako inokulum k dispozici, bohužel způsobily netypický průběh procesu v laboratorních fermentorech. Obvyklý je rychlý nárůst tvorby bioplynu v acitogenní a acidogenní fázi procesu (bioplyn obsahuje především CO₂ viz obrázek č. 12) V našich pokusech ale byl náběh procesu velmi pomalý, zato v bioplynu byla relativně vysoká koncentrace metanu 65 až 70%. Začátek metanogenního procesu byl sice pomalý, ale produkce bioplynu za 25 dní byla odpovídající, jako kdyby probíhal standardně. Nedostatek však byl v tom, že maximální produkce bioplynu nastala prakticky u všech vzorků ke konci doby zdržení a materiál nebyl ještě dostatečně odbourán. Přesto lze konstatovat, že i přes tento zkrácený průběh pokusu se potvrzuje předpoklad, že produkce bioplynu na kilogram sušiny zelené hmoty z krmného šťovíku je srovnatelná s produkcí bioplynu z kukuřice.

Tyto výsledky byly získány s přispěním grantového projektu NAZV QF 3160 “ Výzkum nových technologických postupů pro efektivnější využití zemědělských a potravinářských odpadů”.

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