Acta agriculturae Slovenica, 87 - 2, september 2006 str. 355 - 364 Agrovoc descriptors: plants, renewable energy, renewable resources, biogas, sorghum arundinaceum, phacelia, polygonum, crop yield Agris category code: P06 COBISS koda 1.01 Rastlina kot obnovljivi vir energije (OVE) Rajko BERNIK 1 , Aleš ZVER 2 Delo je prispelo 17. januarja 2006, sprejeto 11. avgusta 2006 Received january 17, 2006, accepted august 11, 2006 IZVLEČEK Potrebe prebivalstva po energiji so vedno večje, na drugi strani kopnijo zaloge fosilnih goriv. Grozi nam pomanjkanje energije. Delna rešitev problema je izkoriščanje obnovljivih virov energije (OVE), med katere spada tudi pridobivanje bioplina iz biomase. V Evropi se v zadnjih desetletjih srečujemo s presežki hrane in z opuščanjem obdelave kmetijskih zemljišč. V raziskavo smo vključili sudansko travo kot testno rastlino ter facelijo in japonski dresnik kot alternativni rastlini za proizvodnjo bioplina. Na osnovi kemičnih analiz rastlin smo izračunali teoretično količino proizvedenega bioplina. Ključne besede: energija, obnovljivi viri energije, bioplin, energetske rastline, sudanska trava, japonski dresnik, facelija ABSTRACT PLANT AS RENEWABLE ENERGY SOURCE (RES) The population demand for energy is increasing day by day; fossil fuel supply, on the other hand, is on the verge of running out. Consequently, we could be facing a lack of energy. Partial solution to the problem is the exploitation of renewable energy sources (RES), including acquiring biogas from biomass. In Europe, we are confronted by food excess and abandonment of some cultivated land. In our research, we have analysed plants Sudan grass, Phacelia and Japanese knotweed as energy sources. On the basis of chemical analysis we have calculated teoretical production of biogas. Key words: renewable energy, biogas, plants, animal nutrition, feed, Sudan grass, Phacelia, Japanese knotweed UVOD Pri obstoječi porabi nafte in sedanjem stanju tehnike bodo zaloge nafte po 40 letih uporabe usahnile in po 60 letih bo porabljen ves zemeljski plin (Rempel, 2003 ). Slika 1. Tudi če bi zaloge nafte in zemeljskega plina obstajale še za daljše obdobje rabe, nastane pri uporabi teh nosilcev energije še večji problem kot poraba zalog. Pri 1 Izr. prof. dr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Jamnikarjeva 101, SI-1001 Ljubljana 2 Univ. dipl. inž. zoot., Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Jamnikarjeva 101, SI- 1001 Ljubljana Acta agriculturae Slovenica, 87 - 2, september 2006 356 zgorevanju fosilnih energentov nastajajo toplogredni plini, med katerimi je tudi ogljikov dioksid. Njegova vrednost se je v zadnjih 100 letih v atmosferi povečala za tretjino. S sočasnimi raziskavami je bilo ugotovljeno, da se je globalna temperatura ozračja povečala za 0,6 ºC glede na čas pred industrijskim obdobjem. Predpostavlja se, da bo ob koncu stoletja globalna temperatura ozračja za 2 do 6 ºC večja glede na današnji čas (IPCC, 2001). Zmanjševanje vrednosti CO 2 v ozračju je svetovni cilj (UNFCCC, 1997). Države, vključene v EU, imajo jasno navodilo, da do leta 2010 nadomestijo obstoječo fosilno energijo iz obnovljivih virov do vrednosti 12 % porabljene bruto energije. To pa pomeni trikratno povečanje pridobivanja energije iz obstoječih obnovljivih virov energije v EU. Slika 1: Poraba proizvodov iz nafte v obdobju dveh stoletij (Rempel, 2003) Figure 1: Consumption of oil products in the period of two centuries (Rempel, 2003) Novi izviri energij so nujno potrebni za oskrbo človeštva z energijo. Poleg varčevanja z obstoječimi izvori je dolgoročna možnost oskrbe smiselna samo iz obnovljivih virov energij. Pomembni vendar ne obremenjujoči nosilci energij so viri, v katerih je shranjeno globalno sončno obsevanje, kot so voda, veter, električne sončne celice in biomasa. Biomaso lahko pojmujemo kot univerzalni vir energije v kmetijskem prostoru. Njen energetski potencial je spremenljiv v električno, toplotno ali mehansko energijo, neodvisno od časa dneva ali letnega časa. Biomasa se nahaja v kmetijskem prostoru, kot so energetske rastline v poljedelstvu, slabši les v gozdarstvu, gnojevka v živinoreji, rastlinski ostanki ob spravilu žita ali okopavin ter organska masa od nege in oskrbe zelenih obcestnih površin (Slika 2). Slika 2: Nosilci obnovljivih virov energij Figure 2: Holders of renewable energy sources BERNIK, R., ZVER, A.: Rastlina kot obnovljivi vir energije (OVE) 357 Pri uporabi poljedelskih, gozdnih, živinorejskih in komunalnih odpadkov – ostankov ter pridelavi energetskih rastlin na 2 milijonih kmetijskih površin, pri uporabi celotne pridelane rastline, naj bi se pridobilo 20 % obnovljive energije glede na današnjo porabo (Karpenstein-Machan, 2005), slika 3. 50 51 460 100 85 408 1017 0 200 400 600 800 1000 energetske rastline rastlinski ostanki v poljedelstvu travinje gnojevka slabši les iz gozda ostanki z varovanih površin- naravni parki komunalni ostanki PJ Slika 3: Obnovljivi viri energij v kmetijskem prostoru. (1 P = 1 bilijarda Joula = 10 15 J) Figure 3: Renewable energy sources in agricultural environment (1 P =1 bilijon Joula = 10 15 J) MATERIALI IN METODE Poskus smo zastavili na poskusnem polju (slika 4) na Biotehniški fakulteti v Ljubljani. Japonski dresnik smo nabrali na obrežju potoka Glinščica v bližini Biotehniške fakultete (slika 5). Slika 4: Polje s facelijo in sudansko travo Figure 4: Field with Phacelia and Sudan grass Acta agriculturae Slovenica, 87 - 2, september 2006 358 Slika 5: Japonski dresnik Figure 5: Japanese knotweed Slika 5: Japonski dresnik Figure 5: Japanese knotweed Priprava zemlje za setev Na parceli, na kateri je bil v letu 2004 predposevek krompir, smo z rastlinami izvedli primerjalni poskus. V jeseni je bilo opravljeno jesensko globoko oranje do globine približno 30 cm. Zemljišče smo neposredno pred setvijo obdelali s predsetvenikom do drobnogrudičaste strukture, primerne za setev, da smo tako zagotovili čim bolj enakomerne razmere za kalitev. Zemlja je bila za vse rastline obdelana enako. Določili smo velikosti parcel 20 m 2 , saj nam takšna površina omogoča zadovoljivo vzorčenje. Analiza tal je bila opravljena po AL-metodi. Dobljene vrednosti hranil so izražene v mg/100 g tal in jih uvrstimo v skupine, ki jih označimo s črkami A, B, C, D in E. To so stopnje ali ravni preskrbljenosti tal s hranili. Tal, na katerih je rasel japonski dresnik, nismo analizirali. BERNIK, R., ZVER, A.: Rastlina kot obnovljivi vir energije (OVE) 359 Če primerjamo rezultate naše analize, imamo tla s fosforjem dobro založena, s kalijem pa srednje preskrbljena. Fosforja je 14,1 mg/l00 g tal, kar jih uvršča v razred C; kalija pa je 13,1 mg/l00 g tal, kar pomeni razred B. Rastišča japonskega dresnika nismo gnojili. Tal pred setvijo in takoj po njej nismo gnojili, saj so analize pokazale, da so tla primerno preskrbljena. Rastline so bile med vegetacijo v sredini junija (tik pred dežjem) dognojene z mineralnim gnojilom KAN (27 % N), količina dognojevanja pa je bila 67,5 kg N/ha. Dognojevali smo ročno. Japonskega dresnika nismo dognojevali. Vremenske razmere Temperaturo zraka in tal ter količino padavin smo merili na meteorološki postaji, ki stoji na poskusnem polju Biotehniške fakultete. Iz preglednice 1 so razvidni hidrometeorološki podatki za mesece maj, junij in julij leta 2005. Preglednica 1: Hidrometeorološki podatki, izmerjeni na meteorološki postaji BF (Žust, 2003) Table1: Hydrometeorological data measured at BF hydrometeorological station (Žust, 2003) Dekada leta 2005 Maks. temp. Min. temp. Povp. temp. ∑ sonč. ur ∑ padavin I maj 20,3 6,5 13,45 67,9 39,8 II maj 17,7 10,8 14,23 73,8 56,4 III maj 24,9 17,9 21,13 128,6 0,6 I jun 21 11,5 16,16 76,6 25,7 II jun 22,8 15,6 18,97 74,2 31,8 III jun 25,9 21,4 23,05 102,1 9,9 I jul 21,6 14,2 18,26 56,6 129,7 II jul 25,3 17,4 21,34 89,8 20,2 ½ III jul, (le 5 dni) 21,7 18,5 19,82 32,1 9 Setev Setev sudanske trave v poskusu smo opravili 4. maja 2005. Sejali smo ročno počez in seme zadelali v zemljo z grabljami. Zaradi predhodne obdelave z predsetvenikom, ki je imel zadnji strojni element valj, so na parcelah ostali jarki globine 2 cm. Ob zadelavi semena v zemljo se je večina prej enakomerno potrošenega semena ujela prav v te jarke, zato je posevek ob vzniku izgledal, kot da bi bil posejan v vrste. Meteorologi so napovedovali zelo sušno leto, zato smo se odločili in zasejali posevke gosteje, kot jih priporoča literatura. Japonskega dresnika na parcelah nismo sejali, saj ga je v okolju dovolj. Uporabljene rastline Pri načrtovanju poskusa smo se odločili, da bomo v poskus vključili sudansko travo (Sorghum sudanense), sorto ''Zora'', kot testno rastlino, ki jo v literaturi zasledimo kot rastlino primerno za proizvodnjo bioplina in poznamo izplene bioplina iz te rastline. Vključili smo tudi rastlini, ki v literaturi nista omenjeni kot potencialni za pridobivanje bioplina, in sicer facelijo (Phacelia tanacetifolia) in japonski dresnik (Reynoutria japonica). Spravilo Na vsaki parceli smo naključno izbrali 2 m 2 . Pridelek smo pokosili z ročno koso, ga spravili v vreče iz jute in ga stehtali. Vreče so bile predhodno stehtane in označene. Od vsakega pridelka smo odtehtali še 2000 g svežega vzorca in ga dali v vreče iz jute. Označene vzorce smo 14 dni sušili v komori. Posušene vzorce smo stehtali, nato smo jih zmleli z mlinom, ki je imel vstavljeno sito z mero okenca 2 mm. Zmlete vzorce smo shranili v plastične vreče. Vse vzorce smo shranili za morebitne nadaljnje analize. Nekaj vzorca smo uporabili za natančno določitev suhe snovi (SS), ki smo jo določili tako, da smo stehtan vzorec sušili na 105 o C, dokler nismo dobili konstantne mase. Acta agriculturae Slovenica, 87 - 2, september 2006 360 Določitev C, N, S in weendska analiza Kemično analizo za določitev C, N in S smo opravili na Gozdarskem inštitutu Slovenije na Oddelku za gozdno ekologijo. V vseh primerih določitev je šlo za sežig pri 1350 °C in analizo sežignih plinov – elementna analiza. Weendsko analizo za facelijo in japonski dresnik so opravil na kemijskem laboratoriu na Oddelku za zootehniko Biotehniške fakultete. Weendsko analizo za sudansko travo so opravili v Centralnem laboratoriju Kmetijskega inštituta Slovenije. Metode za določitev: C: ISO 10694 N : ISO 13878 S : ISO 15178 REZULTATI IN RAZPRAVA Slika 6 prikazuje dosežene pridelke na poskusnem polju in na brežini potoka Glinščice. Kot vidimo sta dober pridelek dosegla sudanska trava in japonski dresnik. S facelijo smo pridelali najmanj zelene gmote z največjo vsebnostjo vode. 62,40 60,00 38,60 5,72 13,04 9,49 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 Sudanska trava Japonski dresnik Facelija Kultura Masa (t) Pridelek zelene gmote/ha Pridelek sušine/ha Slika 6: Doseženi pridelki rastlinja Figure 6: Produced plant yield Preglednica 2 prikazuje deleže posameznih elementov v izbranih kulturah. Kot temelj za maksimalno proizvodnjo bioplina smo upoštevali razmerje C : N, ki je med 25 – 30 : 1, navaja Polprasert (1986). Kot lahko vidimo, nobena kultura ni dosegla optimalnega razmerja med elementoma, najbolj pa se je temu približal japonski dresnik. Vzrok za tako razmerje je dejstvo, da so bile rastline še mlade. Žveplo je moteč faktor v bioplinski tehnologiji, saj na strojne elemente deluje korozivno (Đulbić, 1986). Največ žvepla je bilo pri faceliji, nato pri japonskem dresniku, najmanj pa pri sudanski travi. Ob ozkem razmerju C : N pa lahko sklepamo na večji delež beljakovin ali nebeljakovinskega dušika v rastlinah. BERNIK, R., ZVER, A.: Rastlina kot obnovljivi vir energije (OVE) 361 Preglednica 2: Rezultati kemične analize rastlin z weendsko analizo in s sežigom Table 2: The results of chemical analysis of plants with Weends analysis and burning Facelija Japonski dresnik Sudanska trava vzorec suh vz. vzorec suh vz. vzorec suh vz. Suha snov (g/kg) 906,4 1000 918,1 1000 177 1000 Surova vlaknina (g/kg) 240,5 265,3 307,2 334,6 70 398 Surovi pepel (g/kg) 158,2 174,5 68,9 75 11 62 Surove maščobe (g/kg) 18,3 20,1 15,8 17,2 3* 15* Surove beljak. (g/kg) 156,1 172,2 110,7 120,6 13 73 BDI (g/kg) 333,4 367,8 415,6 452,7 / / NDF (g/kg) 364,7 402,4 432,5 471 / / Delež C (%) 39,9 45,9 35,3 Delež N (%) 2,9 2 2,3 Delež S (%) 0,2 0,2 0,2 * Maščobe brez hidrolize (g/kg), * BDI brez dušični izvleček, * NDF netopna detergentska vlakna Pretvorba rastlinske suhe snovi v bioplin Cilj naše raziskave je določitev količine proizvedenega bioplina iz posameznih vrst rastlin. Različni avtorji navajajo različne količine proizvedenega bioplina iz istih rastlinskih vrst. Našim rastlinam smo izračunali delež SS in jih analizirali na vsebnost C, N in S. Opravili smo še weendsko analizo. Tako smo pridobili dovolj podatkov, da smo lahko primerjali rastline iz naše raziskave in rastline drugih raziskovalcev, ki so iz rastlin pridobili bioplin. Na osnovi teh primerjav smo našim rastlinam določili faktor pretvorbe rastlinske suhe snovi v bioplin (preglednica 3). Preglednica 3: Količina proizvedenega bioplina iz kg suhe snovi (SS) po različnih avtorjih in uporabljen faktor za preračun z naših rastlin Table 3: The amount of biogas produced from 1 kg of dry weight according to different authors and the conversion factor used for Količina bioplina/kg SS Surovina Doseženi izpleni biolplina po drugih avtorjih (m 3 /kgSS) Upoštevan izplen bioplina (m 3 /kgSS) Koruza 0,3 – 0,4 Medved in Novak (2000), 0,41 Beck (1997), Dulbić (1986) Ljuljka 0,28 – 0,55 Medved (2000), 0,41 Beck (1997) Lucerna Sudanska trava 0,45 Facelija 0,4 Črna detelja 0,43 – 0,52 Đulbić (1986) Japonski dresnik 0,35 Acta agriculturae Slovenica, 87 - 2, september 2006 362 Količino bioplina smo izračunali po enačbah: V bioplina / kg SS = masa SS × faktor pretvorbe [m 3 ] … ( 1 ) V bioplina / ha = Q bioplina/kgSS × masa SS/ha [m 3 ] … ( 2 ) Pretvorba bioplina v električno in toplotno energijo Kot modelni motor za izkoriščanje (kurjenje) bioplina smo izbrali Otto motor z notranjim zgorevanjem (Fiat Totem Standard, 15 kW), ki je generator z visokim skupnim in še zlasti toplotnim izkoristkom. Za zagon in regulacijo uporablja električni tok iz omrežja. Pogonski motor je 900 cm 3 Fiat 100 GL, ki je opremljen z asinhronim trifaznim generatorjem. V zaprtem primarnem hidravličnem tokokrogu kroži 2 – 3 m 3 /h hladilne tekočine (glikolne), ki izmenjuje toploto v štirih izmenjevalcih toplote. Fiat Totem je najbolj zanesljiv in najbolj preizkušen med majhnimi motorji za proizvodnjo električne energije in toplote, kar potrjuje dejstvo, da nekateri v praksi delujejo več kot 30000 ur (Piccinini in sod., cit. po Herceg, 2004). Slika 7: Bioplinski gorilnik (H. Rempel, 2003) Figure 7: Biogas burner (H. Rempel, 2003) V izračunih nismo upoštevali izgub pri prenosu in akumuliranju zajete odpadne toplote motorja. Izkoristki, upoštevani v enačbah, so izračunani na osnovi podatkov o vstopni moči v motor in proizvedeni električni ter toplotni moči. Bioplin smo teoretično spreminjali v električno in toplotno energijo z motorjem Fiat Totem. t B i V V H Q η × × = [kWh/ha] [zajeta toplota hladilne tekočine motorja] …(3) e B i e V H Q η × × = [kWh/ha] [proizvedena električna energija] … ( 4 ) 3 / 1 , 22 m MJ H i K = za bioplin s 65 % vsebnostjo CH 4 (Mrhar in sod., 1990). [kurilnost bioplina] 70 , 0 = t η (Piccinini in sod., 1996 cit. po Herceg, 2004) [toplotni izkoristek motorja Fiat Totem] 27 , 0 = e η (Piccinini in sod., 1996 cit. po Herceg, 2004) [električni izkoristek motorja Fiat Totem] BERNIK, R., ZVER, A.: Rastlina kot obnovljivi vir energije (OVE) 363 V bioplina = teoretična količina bioplina pridobljena iz poskusnih rastlin na enem hektarju [m 3 ] ZAKLJUČEK Na poskusni parceli smo s sudansko travo dosegli dober pridelek 9,5 t suhe snovi na hektar. Od nekrmnih rastlin smo dosegli dober pridelek z japonskim dresnikom. Facelija se po količini pridelka ni izkazala kot potencialna energetska rastlina. Japonski dresnik se je izkazal kot zelo dobra rastlina za proizvodnjo bioplina. S kemično analizo rastlin na vsebnost C, N in S smo ugotavljali njihovo kemijsko sestavo. Rezultati analiz so pokazali, da rastline, razen japonskega dresnika, v tej zrelostni fazi same niso primerne za proizvodnjo bioplina, saj nimajo primernega razmerja C : N. Dobre bi bile kot dodatek k brozgam za proizvodnjo bioplina, z vidika razmerja C : N in vsebnosti žvepla. Vsebnost žvepla pri nobeni od rastlin ni bila previsoka. Energetske rastline za uporabo v bioplinskih napravah postavljajo nove zahteve v pridelavi kmetijskih rastlin. Prvi pogoj je visok masni pridelek – kg/ha izbrane vrste rastline, sorte, ob tem pa še stroški gnojenja in zaščite rastline, ter možne tehnologije spravila pridelka. VIRI Beck, J. 1997. Anaerobic treatment. V: Manure managment. Treatment strategies for sustainable agriculture. Burton C.H. (ed.). Bia, Silsoe Research Institute: 79–88. DLG 1997. DLG – Futterwerttabellen Wiederkauer, Frankfurt am Main, DLG: 212 str. Đulbić, M. 1986. Biogas: dobijanje korišćenje i gradnja uređaja. Beograd, Tehnička knjiga: 171 str. Herceg, N. 2004. Možnosti in potencial za pridelavo bioplina iz živinorejskih odpadkov v Sloveniji. Diplomsko delo. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Odd. za agronomijo: 83 str. IPCC. 2001. International Panel for Climate Change. Brifings at the Conference of the Parties to the UNFCCC, Sixth Session, part two. July 2001: Climate Change, Impacts, Adaptation and Vulnerability. www.ipcc.ch/present/presentations.htm. Karpenstein-Machan, M. 2005. Energiepflanzenbau für Biogasanlagenbetreiber; DLG Verlag, 2005, ISBN 3-7690-0651-8, Frankfurt am Main. Medved, S., Novak, P. 2000. Biomasa. V: Varstvo okolja in obnovljivi viri energije. Ljubljana, Fakulteta za strojništvo: 231 str. Nemac, F. 2005. Obnovljivi viri energije. Razvojne možnosti, njihov vpliv na okolje in vloge lokalnih skupnosti. Javna predstavitev mnenj. Ljubljana, Državni zbor Republike slovenije: 31-41. Odkupne cene za živino. 2005. Kmečki glas, 62, 36: 31. Polprasert, C. 1996. Organic waste recycling. Technology and management. 2nd edition. West Sussex, John Wiley & Sons: 412 str. Acta agriculturae Slovenica, 87 - 2, september 2006 364 Rempel, H. 2003. Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2003. – XXVIII. 426 S., E. Schweizerbart́sche Verlagsbuchhandlung (Nägele und Obermiller), ISBN 3- 510-95900-0, Stuttgart. UNFCCC. 1997. The Kyoto Protocol to the United nations Framework Convention on Climate Change. FCCC/CP 1997/7Add.1,4. Zver, A. 2005. Obnovljivi viri energije, rastlina kot energija in rastlina kot hrana. Diplomsko delo. Ljubljana. Biotehniška fakulteta, Odd. za zootehniko: 67 str. Žust, A. 2003. ''Klimatološki podatki za obdobje 1991-2000 za meteorološko postajo Ljubljana–Bežigrad''. Ljubljana, ARSO, Urad za meteorologijo, Odd. za agrometeorologijo. (osebni vir, 1. avg. 2005).