Výzkum využití trávy pro energetické účely

Pod biomasu z rostlin můžeme zařadit slámu obilovin, řepkovou slámu, energetické dřeviny a energetické byliny. Byliny pro energetické využití jsou jednoleté a víceleté. Mezi víceleté energetické byliny (rostliny) můžeme zařadit energetické trávy. Pro hospodaření v horských a podhorských oblastech je alternativní možností využití trav pro energetické účely.

Výzkumem a využitím energetických trav se zabývala OSEVA PRO, s. r. o., výzkumná stanice travinářská Rožnov – Zubří ve spolupráci s Výzkumným ústavem zemědělské techniky Praha a Vysokou školou báňskou – Technickou univerzitou v Ostravě.

Výzkum probíhal ve dvou etapách se zaměřením na stanovení nejvhodnějších druhů trav pro energetické účely, optimálního termínu sklizně trav pro energetické účely a využitím trav pro spalování.

Nejlepší druhy trav

V první etapě výzkumu v letech 1997-2000 byly do výzkumu zařazeny tyto trávy: kostřava rákosovitá, psineček veliký, kostřavice bezbranná, ovsík vyvýšený, lesknice rákosovitá, lesknice kanárská, ozdobnice čínská, proso seté, rákos obecný, bezkolenec rákosovitý, třtina křovištní a sveřep vzpřímený. Trávy byly posouzeny z hlediska výnosu zelené hmoty, suché hmoty a sušiny a byly rozborovány na spalné teplo a výhřevnost. Současně byla posouzena i ladem ležící půda, tzv. spontánní úhory. U této půdy bylo provedeno botanické hodnocení a byl stanoven výnos sušiny těchto spontánních úhorů.

Na základě výsledků v první etapě byly stanoveny tři druhy trav nejvhodnější pro energetické využití: psineček veliký Rožnovský, kostřava rákosovitá Kora a ovsík vyvýšený Rožnovský. Výnos u těchto tří travních druhů se pohyboval v průměru 8 – 10 t sušiny na hektar v podmínkách Zubří ve hnojené variantě. Výnos sušiny u spontánních úhorů byl velice nízký (do 2 t na hektar).

Výsledky druhé etapy zahrnují výsledky polních pokusů – trávy a luční směsi byly sklizeny v letech 2005 až 2007 jako celé rostliny v měsíčních intervalech květen až září. Do druhé etapy výzkumu byl zařazen psineček veliký (Rožnovský), kostřava rákosovitá (Kora), ovsík vyvýšený (Rožnovský), lesknice rákosovitá (Palaton, Chrifton a Chrastava – odrůda OSEVY PRO s. r. o. Výzkumné stanice travinářské Rožnova – Zubří), sveřep horský (Tacit), luční směs do vlhkých a do suchých podmínek.

U jednotlivých lučních směsí a travních druhů zařazených do výzkumu se projevil rozdílný obsah sušiny v zelené hmotě, který se zvyšuje zejména stárnutím porostu a oddalováním doby první sklizně.  Obsah sušiny v zelené hmotě byl nejvyšší u porostů sklizených v září.

Nejvyšších výnosů sušiny ve všech třech sklizňových letech dosahovala lesknice rákosovitá Palaton (11,89 t/ha) ve třetím užitkovém roce, lesknice rákosovitá Chrastava (11,76 t/ha) ve třetím užitkovém roce, lesknice rákosovitá Chrifton (11,2 t/ha) ve třetím užitkovém roce, psineček veliký Rožnovský (11,12 t/ha) a kostřava rákosovitá Kora (10,69 t/ha) oba ve třetím užitkovém roce. Všechny tyto výnosy byly dosaženy ve hnojené variantě 50 kg dusíku na hektar v měsíci srpnu 2007.

Vhodné období sklizně

Nejvyšší výnosy sušiny měly trávy při sklizni celých rostlin v období měsíců červenec až srpen, tzn. v období sklizňové zralosti na semeno a měsíc po této sklizňové zralosti na semeno. Na základě těchto dosažených výsledků lze doporučit sklizeň energetických trav v období sklizně trav na semeno u všech zařazených travních druhů druhé etapy výzkumu. Snížení výnosu sušiny u travních porostů sklizených v pozdním letním a podzimním období v první seči je způsobeno zejména opadem listů a polehnutím zejména u náchylných druhů trav (např. ovsík vyvýšený).  Pozdější sklizeň lze doporučit pouze u lesknice rákosovité (Palaton, Chrifton, Chrastava), kde ztráty sušiny i dva měsíce po termínu sklizně trav na semeno (v září) nebyl významné. Zejména z hlediska ekonomického je vhodná kombinace sklizně trav na semeno pro tržní účely a současné využití vymlácené travičkové slámy pro energetické účely. Tento systém lze doporučit zejména pro realizaci v zemědělské praxi.

V průběhu řešení druhé etapy probíhaly zkoušky spalování travní biomasy v malých i velkých kotlích. Pro zkoušky v malých kotlích byla travní biomasa peletována. Ve velkých kotlích je možné doporučit spalování sena trav v kotlích určených pro spalování slámy.

Pro bioplyn a komposty

Na první výzkumnou práci navazuje projekt „Využití fytomasy z trvalých travních porostů a z údržby krajiny“. Na stanovišti v Zubří je založen pokus s energetickými travami pro sklizeň v období květen až září a se zaměřením na zjištění výnosu zelené hmoty, suché hmoty a sušiny vybraných travních druhů a produkci bioplynu a využití travní hmoty pro kompostování. Na základě již dosažených výsledků a dalších zkušeností byly do projektu pro využití na bioplyn zařazeny trávy: psineček veliký Rožnovský, kostřava rákosovitá Kora, ovsík vyvýšený Rožnovský, lesknice rákosovitá Chrastava, sveřep horský Tacit. Pro výzkum produkce bioplynu z travní fytomasy byly zařazeny do projektu rodový hybrid Lofa, rodový hybrid Perun a rodový hybrid Bečva. Všechny tyto hybridy mají dobrou silážovatelnost, která je důležitou vlastností charakterizující plodiny vhodné pro produkci bioplynu. Perun a Bečva je šlechtěn na vyšší obsah cukrů v píci.

Do portfolia trav byla zařazena pro srovnání jedna jetelotravní směs, která se jeví jako nejvhodnější na základě zkušenosti autorů projektu pro konzervaci půdy dočasně vyřazené z intenzivní zemědělské produkce. Zejména v horských a podhorských oblastech lze produkci z této „konzervované“ půdy zatravněním využít pro energetické účely.

Pokus s travami a jetelotravní směsí byl založen na parcelách o velikosti 10 m² a každá varianta je čtyřikrát opakována. Vybrané trávy a jetelotravní směs byly založeny v pokusu na malých parcelách s předpokladem dvou úrovní výživy bez hnojení dusíkem a minimální dávkou dusíku 50 kg ročně s pro zkoušení výnosu zelené hmoty, suché hmoty a sušiny. 

Porovnatelné podmínky

Chceme-li porovnávat produkci bioplynu pro různé substráty, je nutné zaručit plně porovnatelné podmínky. To nám zaručují jenom laboratorní vsázkové pokusy dle DIN 4630. U nich můžeme zaručit množství zkoušeného materiálu, teplotní poměry, prostorové zatížení reaktoru, hustotu, míchání, hodnotu pH, složení inokula a podobně. Provozní měření nebo měření na kontinuálních reaktorech jsou často zatíženy systémovými vlivy a je zde proto obtížné stanovení produkčního potenciálu jednotlivých surovin. Laboratorní podmínky rovněž umožňují provést více variantních měření s opakování v relativně krátkém čase.

Z jednotlivých typů senáží a siláží byly při stejných režimech anaerobního vyhnívání zjišťovány produkce bioplynu a jeho chemické složení.

Pro výrobu bioplynu ze speciálních substrátů bylo upraveno laboratorní pracoviště. V laboratorních pokusech určujeme vhodné směsi biomasy pro výrobu bioplynu na malých zařízeních o objemu 2 l s vsázkou 1 kg směsného materiálu. Sada fermentorů je ve vyhřívaném termoboxu. Každý fermentor má svůj plynojem pro odečet produkce bioplynu. Na analýzu vznikajícího bioplynu používáme analyzátor AIR LF se kterým je možné měřit obsah CO₂ a CH₄, příp. i O₂. Pro inokulaci procesu metanogeneze jsme používali vyhnilý fugát z bioplynové stanice Trhový Štěpánov. U každého vstupního materiálu byly stanoveny obsahy veškeré sušiny a pro výpočet výtěžnosti též organické sušiny. Používaný fugát měl obsah sušiny v rozmezí 2–5 %. U všech pokusů byly nastaveny stejné podmínky. Fermentory pracovaly při teplotě 37 ^°C. Hmotnostní procento sušiny výchozí směsi namíchaných substrátů bylo mezi 4–8 %. Výsledná produkce bioplynu v m³ byla vždy vztažena na hmotnost 1 t organické sušiny vzorku. Každý vzorek trav byl sledován ve čtyřech opakováních.

Vliv konzervace plodin

V rámci plnění etapy využití trav pro produkci bioplynu byly sledovány ztráty při senážování trav o různých vstupních vlhkostech rostlinného materiálu. Rovněž byl sledován vliv délky skladování na obsah živin v senáži. Na pokusy v roce 2010 s produkcí bioplynu navázaly produční pokusy ze silážovaného materiálu v roce 2011.

Sledování jsme prováděli na minisenážích. Do pokusu pro výrobu minisenáží byly zařazeny tyto plodiny: psineček veliký, kostřava rákosovitá, hybrid Lofa, hybrid Bečva, hybrid Perun, jílek jednoletý, jetelotráva, květnatá louka, kukuřice setá, slunečnice roční, čirok cukrový a béry.

Technologie minisenáží je registrována jako uplatněná technologie dle dle RIV. Měrná hustota vzorků byla 405 – 514 kg/m³ (minimální požadovaná je 200 kg/m³). U sušších vzorků byla dosahována nižší měrná hustota a u vlhčích vzorků vyšší. Standardní doba fermentace byla 90 dní při teplotě 25 °C. Sledovnání prokázalo, že všechny materiály měly při skladování poměrně malé ztráty mezi 2 až 5 %. U mladých porostů nemá vlhkost na ztráty při skladování statistický významný vliv. Pouze u vzorků se sušinou přes 50 % jsou trochu vyšší ztráty. Vzorky minisiláží jsme dále skladovali při běžných podmínkách (teplota 15 až 20 °C) až do celkové doby 365 dnů. I při tomto dlouhodobém skladování se ztráty organické hmoty pohybovaly do 11,4%.

Pro stanovení vlivu dlouhodobého sladování na obsah živin bylo pokračováno ve sledování minisenáží založených z travní senáže v roce 2010, kdy byl vždy po jednom měsíci otevřen jeden vzorek minisenážní koule. Výsledky prokázaly vhodnost navržené technologie ninisenáží o hmotnosti asi 1 kg pro sledování senážních a silážních procesů. Tato technologie je vhodná zejména při ověřování silážních přípravků, optimalizaci termnínu sklizně i při ověřování ještě neodzkoušených odrůd.

Komentář k výsledkům rozborů minisenáží:

 – sušina zabalených vzorků siláže: postupně klesá, jedná se o přirozený proces fermentace,

– rozpustné cukry: jejich obsah v průběhu fermentace klesl, cukry jsou postupně fermentovány.

– pH výluhu: kolísá v rámci variability, zjištěné hodnoty odpovídají typu fermentované hmoty

– obsah amoniaku: postupně mírně vzrostl, tato skutečnost byla pravděpodobně způsobena proteolýzou,

– výsledky formolové titrace: hodnoty jsou v rámci variability.

– stupeň proteolýzy: s časem mírně vzrostl, podle normy 2004 je hraniční hodnotou 11 %, tato hodnota nebyla dosažena,

– obsah etanolu: vykazuje nízké hodnoty, hodnocený vzorek ze září je i vzhledem k ostatním parametrům nestandardní.

– obsah 1-propanolu: začíná se od říjnového vzorku zvyšovat, zatím nelze hodnotit další průběh,

– obsah TMK (těkavé mastné kyseliny): obsah je v rámci variability (mimo vzorek září),

– obsah kyseliny máselné: úroveň nedosáhla hodnoty 1,0 g/kg, která je již považována za limitní hodnotu z hlediska kvality,

– celková doba fermentace: 83 dnů (od 12. 10. 2010 do 3. 1. 2011),

– mezi tubusy v rámci daného typu siláže byla nízká variabilita (viz variační koeficienty jednotlivých parametrů).

– vyšší variační koeficienty (> 10%) byly pouze u parametrů stanovovaných blízko detekčního limitu,

– fermentační ukazatele a nutriční hodnota siláží byla vyhodnocena na podkladě ukazatelů uvedených v Normě 2004,

– luční směs byla vyhodnocena jako travní senáž,

– hodnocené porosty (kromě luční směsi a jílku) byly sklizeny při nižší sušině, než doporučuje Norma 2004, přesto byly parametry fermentace (obsah kyseliny máselné a proteolýzy v normě (bez penalizace),

– v případě luční směsi a jílku byl zjištěn nižší obsah NL (110 g/kg) proti doporučenému (> 140 g/kg).

Závěr

Alternativou pro hospodaření na půdě v horských a podhorských oblastech je cílené pěstování a využití trav pro energetické účely. Na základě výnosových výsledků sklizně zejména u většiny travních druhů v České republice vhodných pro energetické účely lze doporučit sklízeň trav pro energii (zejména pro travní hmotu využitou pro spalování) v období sklizně trav na semeno a maximálně do jednoho měsíce po této sklizňové zralosti. Na základě výsledků provedených spalných zkoušek ve velkých kotlích je možné doporučit spalování sena trav předně v kotlích určených pro spalování obilní slámy.

V současné době se jeví perspektivní využití travní hmoty pro výrobu bioplynu. Prvotní výsledky v oblasti využití trav a jednoletých plodin pro produkci bioplynu ukazují vhodnost senážování pro zvýšení množství bioplynu u zkoumaných plodin.

U všech vstupních a výstupních materiálů byly stanoveny podíly organické hmoty. V roce 2011 jsme porovnávali produkci bioplynu z čerstvé a ze silážované hmoty. Porovnávali jsme trávy, jetelotravní směs a jednoleté plodiny. Ve všech sledováních vyšla produkce bioplynu ze silážované hmoty vyšší než z čerstvé. U některých plodin byl nárůst až 9 % (kukuřice) u jiných byl velmi malý (1,5 % u psinečku). Co se délky skladování siláže, nebyl pozorován statisticky průkazný vliv na produkci bioplynu. Více než 80 % produkce bioplynu se odehraje do 14 dnů. Podíl organické hmoty se u trav pohyboval mezi 91,2 až 94,16 % pouze kukuřičná siláž měla sušinu 25,4 %. Sušina vzorku byla poměrně vyrovnaná a pohybovala se kolem 30 %. U všech vzorků došlo k vyrovnanému odbourání organické hmoty. Stupeň odbourání organické hmoty v reaktorech byl kolem 70 procent.

(Publikace je realizována na základě podpory projektu NAZV ČR. Č. QI101C246 – Využití fytomasy z trvalých travních porostů a z údržby krajiny.)

Kolektiv autorů

Celý článek je uveřejněn v čísle 4/12 časopisu Energie 21.