Енергетичні рослини як сировина для біопалива

Відомо, що через п'ять-десять років розвідані запаси нафти будуть вичерпані на 60-65%, видобуток скоротиться на 30-40%, а потреба у споживанні збільшиться. Крім того, за розрахунками вчених, розвіданих світових запасів природного газу вистачить лише на 50-60 років, нафти - на 25-30, вугілля - на 500-600 років. Тому все більше виникає потреба залучати нетрадиційні джерела енергії, створені на основі біоенергетичної сировини (біопалива).

Активне нарощування промислового виробництва призводить до забруднення навколишнього середовища (води, грунту, повітря). Досить шкідливим та небезпечним для живих організмів є забруднення природного середовища токсичними речовинами, важкими металами, а викиди в атмосферу промисловими підприємствами великої кількості СО2 спричиняють велику небезпеку для навколишнього середовища та призводять до створення парникового ефекту.
Але останніми роками як у світі, так і в Україні зокрема, в зв'язку з подорожчанням енергоносіїв, все більше уваги почали приділяти біопаливу, що виробляється з високопродуктивних енергетичних культур.

Виробництво енергії з відновлювальних джерел, включаючи біомасу (біопаливо), динамічно розвивається в більшості європейських країн. Наприклад, основною сировиною для виробництва біопалива у Бразилії є цукрова тростина, у США - кукурудза (з 1 т кукурудзи на силос можна отримати від 200 до 400 м3 біогазу). В європейських країнах, а особливо в Німеччині, постійно збільшується виробництво біопалива з цукрових буряків.

Одним із найперспективніших альтернативних джерел енергії на сьогодні є тверда біомаса (біопаливо) органічного походження, в тому числі і рослинного, яка є екологічно чистим відновлювальним джерелом енергії. Енергія біомаси еквівалентна 2 млрд т у. п./рік, що становить близько 13-15% загального використання первинних енергоресурсів світу. Частка України, за деякими оцінками, становить близько 50 млн т у. п., але економічно доцільний потенціал біомаси оцінюється у 27 млн т у. п./рік.

Значну увагу в світі приділяють проблемі переробки біомаси з метою отримання біопалива. Біомаса в енергетиці може бути використана безпосередньо шляхом спалювання або як паливо - після попередньої переробки на дизельне паливо, етанол або газ.

Джерелом енергетичної сировини ( біопалива) можуть бути як побічні продукти рослинного походження (солома, соняшникове лушпиння, стебла кукурудзи тощо), щорічні відходи яких становлять до 50 млн т, так і спеціально призначені для цього т. з. енергетичні рослини, які є головним абсорбентом вуглекислого газу, зменшуючи його кількість в атмосфері. Вони утворюють високі врожаї біомаси, яку можна було б використати на енергетичні цілі для виробництва біопалива. Залучення цього потенціалу для виробництва енергії може задовольнити близько 12-15% потреб України в первинній енергії.

Енергетичні рослини цінні великим урожаєм і невибагливістю до вирощування. За відносно короткий часовий період можуть давати великі прирости біомаси (біопаливо). В перерахунку на еквівалент енергії витрати на вирощування таких культур значно менші, ніж вартість енергоносіїв, отриманих від традиційних джерел. Використання рослинної біомаси за умови її безперервного відновлення (наприклад, нові лісові насадження після вирубування лісу) не призводить до збільшення концентрації СО2 в атмосфері.

Вибір тієї чи іншої енергетичної культури залежить від багатьох факторів: тип грунтів, місцезнаходження ділянки та доступ до вологи, вид ландшафту тощо. Обов'язково потрібно визначитись зі строками та способами збирання врожаю, його зберіганням, переробкою та транспортуванням (економічно доцільна відстань транспортування біомаси як палива не повинна перевищувати 50 км).

Велика кількість рослин була досліджена для визначення потенційної можливості використання їх у якості енергетичних культур, але тільки небагато видів досягли комерційного рівня i вирощуються на великих площах. Серед них найпоширенішими є: міскантус, світчграс, верба, тополя (висаджують їх приблизно на 10-15 - до 30 років, підготовка грунту для їхнього вирощування не потребує великих енергетичних затрат, урожай збирають узимку або навесні з використанням звичайної сільськогосподарської техніки), а також цукрові і кормові буряки та цукрове сорго.

Міскантус

Належить до родини злакових (Gramineae). Це багаторічна трав'яниста культура з добре розвиненою кореневою системою, яка досягає 2,5 м глибини і більше. Така коренева система сприяє дуже доброму використанню елементів живлення і води з грунту. Стебло є дуже міцним і відзначається великою витривалістю до механічних ушкоджень, оскільки містить велику кількість лігніну і целюлози. Рослини досить добре перезимовують, стійкі до опадів та сильного вітру в зимовий період. У натуральному середовищі рослини міскантусу ростуть до 2 м заввишки і більше.

Вимогливість міскантусу щодо води набагато вища, ніж доступні середньорічні опади в Україні - близько 700 мм опадів на рік. Але попри це, споживання води на продукування 1 кг сухої маси досить невисоке (близько 250-300 кг). Грунти під висів міскантусу обирати некислі (рН=6,5), особливо впродовж перших двох років вирощування, з рівнем грунтових вод нижче 1 м. Спосіб розмноження впливає на перезимівлю посіву першого року вирощування. Рослини, розмножені поділом кореневищ, зимують краще, ніж розмножені з культур способом in vitro. Серед них краще перезимовують рослини великі (більше п'яти бруньок), ніж малі (до п'яти бруньок).

Тривалість вирощування рослин на одному полі - до 20 років, період комерційного вирощування - близько 15 років. Біомасу можна збирати щорічно. Її розглядають, насамперед, як відновлювальне джерело енергії. З огляду на високий вміст целюлози і лігніну міскантус є також цінною сировиною для виробництва будівельних матеріалів, у целюлозно-паперовій промисловості і в сільському господарстві. Виробничі витрати на вирощування міскантусу в різних європейських країнах дорівнюють 35-105 євро/т сухої речовини.

Світчграс

Світчграс (Switchgrass - Panicum virgatum L.). Це прямостояча теплолюбна багаторічна рослина (C4), яка росте в преріях і схожа на кущовий злак. Вона розмножується як насінням, так і кореневищем. Рослина має червонуваті прямостоячі стебла, які ростуть заввишки 0,5-2,7 м. Довга коренева система може досягати 3 м у глибину.
Досить довгий час в Америці та Африці світчграс використовували для консервації грунтів та як кормову культуру. Його вирощують для боротьби з ерозією грунту та для збереження природних умов, а в Європі - як декоративну рослину.

Починаючи з кінця 80-х рр. різновиди цієї культури почали розглядати,  як трав'яну енергетичну культуру (біопаливо). Основними способами використання світчграсу в США та Канаді є: виробництво електроенергії шляхом газифікації, комбіноване спалювання на вугільних заводах та виробництво пального. Нещодавно використання цієї енергетичної культури розширилося виробництвом целюлозних і волокнистих ущільнених композиційних матеріалів.
Світчграс (біопаливо) вирощують на різних грунтах, він не вибагливий до вмісту вологи та поживних речовин у грунті і має позитивний вплив на навколишнє середовище. Перевагами світчграсу є: незначна потреба використання пестицидів, боротьба з ерозією грунту, сприяння збереженню природних умов та потенціал до поліпшення якості грунту.

Зменшується ерозія та рівень використання пестицидів, відповідно, на 95 і 90%. Є можливість використання земель, непридатних для вирощування сільськогосподарських культур. Висока стійкість культури до хвороб та шкідників. Має низьку собівартість та малі ризики вирощування, потребує незначних вкладень, даючи високі врожаї біомаси навіть на непродуктивних землях. Урожайність світчграсу збільшується поступово з менш ніж 2 т/га першого року використання до 12 т/га - другого і до 18 т/га - третього року вирощування.

Світчграс має складові, типові для біопаливної біомаси: близько 50% вуглецю, 43 - кисню і 6% водню. Рослини мають високий вміст золи - до 4-6%, що пояснюється високою часткою листкової маси. Порівняно низький вміст калію та натрію у комбінації з підвищеним вмістом кальцію та магнію в біомасі сприяють вищій температурі згоряння, що зменшує імовірність шлакування під час спалювання в котлах. Собівартість світчграсу ( біопалива) в різних країнах коливається від 24 до 62 євро/т сухої речовини.

Верба

Верба (Salix L.) - рід дерев, кущів або напівкущів родини вербових (Salicaceae). Енергетична верба (біопаливо)- зазвичай густоросла, виростає до 5-6 м заввишки i має велику кількість пагонів. Вона досить легко розмножується вегетативними пагонами. Насадження верби залишаються продуктивними до 25-30 pоків, а врожай протягом цього періоду можна збирати через три-чотири роки. З 1 га плантації можна отримувати до 30-40 т сухої деревної маси щороку.

Позитивним є те, що верба стійка до морозів та посухи, до шкідників та хвороб, може рости на грунтах різного типу, на пагорбах, у ярах із підвищеним заляганням грунтових вод, на заболочених землях, що забезпечують добре водопостачання, навіть на непродуктивних землях, які потребують рекультивації, тобто на землях, непридатних для ведення сільського господарства. Вербу використовують для виробництва паливних брикетів для спалювання в котлах (біопалива). Одна тонна верби вологістю 40% забезпечує 1 Гкал тепла, тоді як така сама кількість сухої сировини за вологості 15% дає 2 Гкал тепла.

Приблизно після 25 років використання вербу викорчовують, а землі використовують для вирощування інших культур або проводять нове насадження енергетичних рослин.

Культура має великий потенціал продуктивності, особливо на низинних i родючих землях із добрим водозабезпеченням, які є найприйнятнішими. Великий потенціал енергетичних плантацій на землях, які не використовують або використовують неефективно.

Площа має бути придатною для проведення механізованих робіт, у тому числі для механізованого збирання у зимові місяці. Це дасть можливість створити нові робочі місця та забезпечити роботою працівників у зимовий період. Зрештою, енергетична верба (біопаливо) може суттєво сприяти вирішенню не тільки енергетичних, але й екологічних проблем, пов'язаних із очищенням стічних вод.

Рослини С3 (верба і тополя) більше потребують води під час продукування тієї самої кількості біомаси, ніж рослини С4 (міскантус, світчграс). Річна кількість води, яка транспірується вербою і тополею, на 40-100 мм більша, ніж, наприклад, у міскантусу. Натомість, рослини типу С4 мають відносно більшу здатність утворювати врожай біомаси.
Нижча теплотворна здатність абсолютно сухої верби не відрізняється від інших порід деревини і становить приблизно 18 МДж/кг абсолютно сухої речовини. Порівняно з більшістю інших порід, деревина верби досить легка. Попри відсутність будь-яких шкідливих продуктів виділення під час згоряння, вона має високу тепловіддачу: 1 т рослин замінює понад 500 м3 природного газу або 700 кг бурого вугілля. Біомасу, яку отримують у процесі виробництва, можна використовувати як первинне паливо (у процесі згорання) або як вторинне - біометанол і деревний газ (біопаливо).

Збирають вербу після закінчення вегетації, тобто з жовтня-листопада по березень-квітень, але переважно в зимовий період. У перші два роки зібрану вербу використовують на садивний матеріал, а в наступні роки - на біомасу. Діаметр стебел рослин верби становить близько 10-12 мм. Перше збирання здійснюють після трьох-чотирьох років з часу висаджування, коли рослини досягають 5-6 м заввишки. Наступного року після зрізування верба відростає знову. Збирання верби проводять за допомогою звичайних силосозбиральних комбайнів, після чого її подрібнюють і роблять пелети для спалювання в котлах.

Тополя

Тополя (Populus) - родина вербові (Salicaceae). Тополя - близький родич верби, яка також знайшла своє застосування у біоенергетиці. Так як і вербу, її у Західній Європі вирощують для опалювання. У наших кліматичних умовах серед усіх інших дерев саме тополя росте найшвидше. Вона росте в схожих умовах із вербою. Для свого росту їй потрібно багато вологи і світла. Тому найбільший вихід біомаси буде в умовах, наближених до тих, що склалися у долинах річок.
Вимогливість тополі до кислотності грунту подібна до такого ж показника для верби, тобто оптимальний рівень рН=6,5-7,2.

Тополю досить давно використовують як енергокультуру ( біопаливо) з огляду на її швидкий ріст та стійкість до шкідників і можливість вирощування на бідних грунтах. Здебільшого вона не потребує застосування пестицидів та добрив. Виявлена можливість її вирощування на забруднених землях.
Останнім часом, у зв'язку з порівняно швидким ростом та утворенням біомаси, насадження тополі все активніше використовують в якості регенеративного джерела енергії для виробництва біопалива. ЇЇ деревина досить легка, широко використовується в технічних цілях.

 Чотири кубометри деревини замінюють 1000 м3 газу. Таке біопаливо обійдеться державі майже вчетверо дешевше. Тополя вбирає в себе велику кількість вуглекислого газу, завдяки їй можна отримати прекрасне екологічно чисте паливо. Шкідливі викиди, порівняно з дизельним паливом, скоротяться на 90%. У промислових насадженнях вихід сухої маси тополі становить до 6-12 т/га. Насадження тополі залишаються продуктивними до 15-20 і більше років, а біомасу протягом цього періоду можна збирати через кожні три-шість років.

Подібно до інших енергетичних рослин, наприклад міскантусу та світчграсу, тополя також може рости на малородючих грунтах, непридатних для виробництва продуктів харчування, зводячи до мінімуму конкуренцію між біоенергетичними і продовольчими культурами.

Європейські вчені впевнені у швидкому тріумфі біопалива, а проста тополя зіграє в цьому свою далеко не останню роль.

О. Хіврич, канд. с.-г. наук
В. Курило, д-р с.-г. наук
В. Квак, В. Каськів,
ІЦБ НААН України