Didėjantys ūkininkų lūkesčiai ir visuomenės poreikiai, augančios technologinės galimybės priverčia ieškoti naujų, inovatyvių produktų ir, žinoma, - tinkamos žaliavos šiems produktams gaminti. Čia ypač daug dėmesio sulaukia žemės ūkio augalai. Šiltesniuose kraštuose paplitę žoliniai augalai gali būti perspektyvūs ir Lietuvoje.

Tradicinius biomasės panaudojimo būdus keičia nauji, pranašesni, kuriami aukštos pridėtinės vertės produktai. Visiems žinomą javų panaudojimą maistui po truputį papildo jų perdirbimas į krakmolą, o vėliau - bioplastikų ar kitų bioproduktų gamyba. Didelis dėmesys skiriamas celiuliozinių produktų gamybai ar kitų aukštos pridėtinės vertės produktų kūrimui. Plečiantis biomasės poreikiams, labai svarbu išspręsti biomasės potencialo didinimo galimybes. Daugeliu atvejų biomasės kiekis didinamas optimizuojant augalų auginimo technologijas ar ieškant naujų, produktyvesnių augalų genotipų.

Netradicinių augalų biomasės potencialo ir kokybės tyrimai Žemdirbystės institute vykdomi jau dešimtmetį. Per tą laiką buvo atlikta nemažai tyrimų, nustatyta, kad ne visi iš pirmo žvilgsnio patrauklūs ir produktyvūs augalai gali būti auginami mūsų klimato sąlygomis ar nėra pakankamai tinkami biomasei perdirbti. Didžiausias dėmesys skiriamas ne maisto paskirties augalams, kurie nekonkuruotų su maistu ir galėtų būti naudojami pramoninėje bioproduktų gamyboje.

Atlikus pirminių duomenų analizę, tolesniems tyrimams iš turimų augalų buvo pasirinkti tik patys perspektyviausi žoliniai augalai, kurių biomasės potencialas palankiais augimo metais yra ne mažiau kaip 12 t ha^-1 sausų medžiagų iš hektaro ir cheminė sudėtis palanki įvairių produktų gamybai. Iki šiol šie augalai daugiausia vertinti kaip potenciali bioenergetikos žaliava - granulėms, biodujų gamybai, tačiau neatmetama galimybė juos panaudoti plačiau.

Kaip didžiausią perspektyvą turintys augalai buvo atrinkti: miskantai (Miscanthus giganteus), sidos (Sida hermaphrodita), geltonžiedžiai legėstai (Silphium perfoliatum), pavėsiniai kiečiai (Artemisia dubia). Palyginimui buvo auginamos ir tradicinės žolės nendriniai eraičinai Navas (veislė sukurta LAMMC Žemdirbystės institute), kurie turėjo puikių savybių žolių biomasę naudoti biodujų gamybai.

Šiltesnio klimato valstybėse ypač paplitę yra miskantai. Šie žoliniai augalai gali užauginti net per 30 t ha^-1 sausų medžiagų derliaus, ir be atsodinimo auga per 20 metų vienoje vietoje. Šių augalų populiarumas didėja ir šiaurinio klimato šalyse. Tiek moksliniai tyrimai, tiek komercinis auginimas plėtojamas Danijoje, Anglijoje. Miskantai naudojami palyginti plačiai - nuo deginimo šilumos gamybai iki trečios kartos bioetanolio gamybos.

Sidos ypač populiarios Vokietijoje ir Lenkijoje. Pastarojoje yra vykdoma ir komercinė sėklininkystė. Šie augalai gali būti naudojami tradiciniam deginimui, pirolizei ar kitų bioproduktų gamybai. Geltonžiedžiai legėstai yra vieni iš perspektyvių žolinių augalų biodujų gamybai. Dėl nemažo drėgmės kiekio biomasėje ir efektyvaus skaidymosi anaerobinėmis sąlygomis jie gali būti silosuojami ir naudojami kaip biodujų reaktorių žaliava. Panašiomis savybėmis pasižymi ir nendriniai eraičinai. Pastarieji gerai auga mūsų klimato sąlygomis.

Energetinius augalus reikia auginti, o ne jų turėti!

Labai taikli frazė „Energetinius augalus reikia auginti, o ne jų turėti!" nuskambėjo per vieną tarptautinę konferenciją, kai energetinių augalų augintojai teigė negaunantys tokių derlių, kokie pristatomi mokslinėse ataskaitose. Ilgą laiką buvo kalbama, kad energetiniai augalai turėtų būti auginami tik ten, kur dirvožemis nėra tinkamas ar menkai vertas tradiciniams žemės ūkio paskirties augalams auginti, tačiau, kaip ir visus augalus, energetinius augalus reikia prižiūrėti. Dėl savo augimo ir vystymosi ypatumų kai kurių iš šių augalų nebūtina intensyviai tręšti, tačiau tinkamas pasėlių įrengimas ir priežiūra, ypač pirmaisiais metais, būtina sąlyga dideliam biomasės derliui užauginti.

Prieš įrengiant netradicinių žolinių augalų plantaciją yra būtina tinkamai paruošti dirvą. Svarbus ne tik dirvos purenimas, bet ir efektyvus piktžolių naikinimas. Didžioji dalis šių augalų turi būti sodinama sodinukais ar šakniastiebiais, nes jie nesubrandina sėklų arba sėklų daigumas yra toks mažas, kad efektyviau yra augalus sodinti sodinukais ir taip užtikrinti vienodesnį pasėlio tankį. Žinoma, taip sodinti yra gerokai brangiau ne tik dėl žaliavos kainos, bet ir dėl įrengimo kaštų, tačiau gali atsipirkti, nes vienodesnis pasėlis užtikrina didesnį biomasės prieaugį.

Svarbu paminėti, kad visi tirti augalai yra daugiamečiai, tad po sodinimo gali augti toje pačioje vietoje ir duoti derlių ne vienerius metus. Kai kurie jų palankiomis sąlygomis gali augti net iki 20 metų ir bus pakankamai produktyvūs.

Taip pat svarbu paminėti, kad pagal sodinimo būdą iš kitų augalų labai išsiskiria miskantai (Miscanthus giganteus), kurie yra natūraliai susiformavę sterilūs hibridai, tad nesubrandina sėklų, o dauginami gali būti šakniastiebiais (taip pat, kaip gerai žinomos gėlės jurginai) arba in vitro padaugintais sodinukais. Svarbu yra tai, kad sodinukais pasodinti miskantai ypač gerai auga pirmaisiais metais, puikiai prigyja, suformuoja vešlią lapiją, tačiau sunkiau peržiemoja pirmąją žiemą ir jų derlingumas yra gerokai mažesnis už tuos, kurie buvo pasodinti šakniastiebiais. Ši tendencija buvo nustatyta ne tik per Žemdirbystės institute atliktus tyrimus, bet pastebėta ir kitose šalyse.

Pirmaisiais augalų auginimo metais didelio derliaus gauti greičiausiai nepavyks, bet jie yra labai svarbūs tolesniam auginimui. Augimo pradžioje augalai būna silpni, tad būtina skirti dėmesį kovai su piktžolėmis. Gaila, tačiau kol kas nėra iki galo įvertinta, kokie herbicidai galėtų būti naudojami nuo piktžolių, tad vienintelis būdas užtikrinti švarų lauką yra tinkamai paruošti dirvožemį prieš sodinimą, o vėliau mechaniškai purenti tarpueilius.

Ne mažiau svarbus šių augalų agrotechnikos elementas yra tręšimas. Kaip ir visi augalai, žolynai efektyviau auga, kai jiems užtikrinama tinkama mitybinė terpė. Nors tyrimais nustatyta, kad tręšimas azoto trąšomis ne visada duoda derliaus priedą, kurio tikimąsi, tačiau palankiais metais efektas yra ženklus. Tad, planuojant tręšimą, būtina atsižvelgti į meteorologines sąlygas ir augalų trąšų poreikį. Ateityje šiems augalams tręšti galėtų būti naudojama biodujų gamybos procese perdirbta biomasė, nuotekų dumblas ar kitos organinės trąšos, kurių puiki cheminė sudėtis, atitinka aplinkosauginius reikalavimus, tačiau jomis ne taip patrauklu tręšti maistinius augalus.

Vienas didžiausių privalumų auginant tokius augalus yra tas, kad doroti derlių nereikia specialios technikos. Tirti netradiciniai žoliniai augalai iki derliaus nuėmimo užauga aukštesni negu 2 metrų, tačiau jų stiebai nesumedėja, todėl gali būti lengvai nupjaunami ir smulkinami tradicine technika.

Netradicinių žolinių augalų paskirtis

Pradėjus auginti ir tirti netradicinius žolinius augalus Žemdirbystės institute, didžiausias dėmesys buvo skirtas jų energinei vertei ir potencialiam panaudojimui biokuro gamybai. Aleksandro Stulginskio universitete atliktų tyrimų duomenimis, šių augalų energinis potencialas yra apie 18,5 MJ kg^-1. Priklausomai nuo tręšimo ar klimato sąlygų, atskirais metais jis gali kisti, tačiau pastebimų skirtumų nebuvo nustatyta.

Žinoma, ne mažiau svarbi yra tokios biomasės cheminė sudėtis. Nuo pastarosios priklauso degimo proceso efektyvumas, deginimo įrenginių patvarumas ir aplinkosauginiai parametrai. Kaip jau žinome, didžiausia biomasės deginimo problema - didelės šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos, tad svarbu yra įvertinti tai ir papildomai dėmesio skirti dūmų valymo technologijoms tobulinti. Žoliniams augalams būdinga kaupti nepageidaujamų cheminių medžiagų, pavyzdžiui, chloro, sieros, turinčių įtakos įrangos ilgaamžiškumui ir aplinkosauginiams parametrams. Tad svarbu tai įvertinti ir papildomai dėmesio skirti deginimo technologijoms tobulinti ir degimo procesams bei degimo produktams valdyti. Ne mažiau svarbu parinkti biomasės nuėmimo laiką ir būdą, nes, veikiant meteorologinėms sąlygoms, augalų cheminė sudėtis gali kisti.

Kalbant apie žolinių augalų biomasę, ypač svarbu paminėti pelenų kiekį. Tradicinių žolinių augalų biomasėje pelenų koncentracija siekia 10 proc., o atskirais atvejais yra net didesnė, o netradicinių augalų biomasėje pelenų yra nuo 2 iki 7 procentų. Drambliažolių peleningumas siekia 1,5-2,5, pavėsinių kiečių - 2,3-3,0, eraičinų - 5,8-9,3 proc. Deja, pelenų lydymosi temperatūra daugelio žolinių augalų yra mažesnė negu medienos. Į tai būtina atsižvelgti renkantis ir projektuojant katilus. Tačiau būna ir išimčių. Tirto pavėsinio kiečio pelenų deformacijos pradžia fiksuota esant aukštesnei negu 1 400 °C temperatūrai - tai labai artima medienos savybėms. Taigi, energetinius augalus maišant su kitomis kuro rūšimis arba kitais augalais, pelenų lydymosi problemą galima sušvelninti.

Negalima pamiršti kito išskirtinio žolinių augalų bruožo - didelio, 70- 80 proc. siekiančio drėgnumo. Tokio drėgnumo augalų ne tik prastos savybės, bet jie yra ir nesaugus laikyti kuras. Susidaro palankios sąlygos vykti biodegradacijos procesams ir savaiminiam kaitimui. Buvo nustatyta, kad 1 tona 57 proc. drėgnio pavėsinio kiečio biomasės 25 oC temperatūroje išskiria 1 349 W šilumos srautą, o 15 oC temperatūroje - 537 W šilumos srautą. Palyginimui galima paminėti, kad bulvių gumbų biologinis aktyvumas yra 21 kartą mažesnis: 15 °C temperatūroje 1 tona bulvių gumbų išskiria tik 25,2 W šilumos srautą.

Sandėliuojamų žolinių augalų drėgnis daugumoje atvejų turi būti ne didesnis kaip 20 procentų. Tuomet jis mažai biologiškai aktyvus, gerai laikosi, kartu gerai dega. Drėgniausi augalai būna per vegetaciją. Po to jų drėgnis mažėja. Spalį nuimtų kiečių drėgnis buvo 59 procentai, o kovo mėnesį siekė tik 11 procentų. Pasibaigus augalų vegetacijai, gamtinės sąlygos tampa pagrindiniu veiksniu, darančiu įtaką pavėsinių kiečių drėgnio kitimui. Geriausia energetinius augalus būtų nuimti žiemą arba anktyvą pavasarį, bet svarbu įvertinti dirvos būklę, sniego dangos storį ir augalų atsparumą vėjui. Pavėsinių kiečių derlių nuimant pavasarį, derliaus praradimai siekė iki 36,5 proc. (tai vyko dėl žiemiškų gamtinių sąlygų poveikio augalams), nors jų drėgnis buvo palyginti mažas.

Rudenį nuimamą pavėsinių kiečių derlių tenka džiovinti. Smulkintą kiečių biomasę džiovinant aktyviąja ventiliacija storame nejudančiame sluoksnyje, ventiliuojant nepašildytu aplinkos oru 390 m3·(t·h)^-1 intensyvumu, iki 10,6 proc. drėgnio biomasės sluoksnis išdžiūvo per penkias paras (120 val.), ventiliuojama 290 m3·(t·h)^-1 intensyvumu, biomasė per tą patį laiką išdžiūvo iki 13,5 proc. drėgnio.

Technologijų energinio efektyvumo prognozės

Atliekant energinį technologijų vertinimą, apskaičiuojamos energijos sąnaudos auginamų augalų ploto vienetui, o vertinant augalų derlingumą ir jų šilumingumą, apskaičiuojamas technologijos energinis efektyvumas.

Vertinant technologijų energinį efektyvumą, sumuojamos tiesioginės energijos sąnaudos biokuro gamybai (sunaudoti degalai, elektros energija ir šiluminė energija) ir netiesioginės energijos sąnaudos (sėklinė medžiaga, trąšos, cheminės augalų apsaugos priemonės), apskaičiuojami kiekvienai technologinei operacijai naudojamų mašinų gamybos energinis imlumas ir žmogaus darbo energijos sąnaudos MJ ha^-1. Susumavus apskaičiuotus rodiklius, gaunamos bendrosios lyginamosios energijos sąnaudos pavėsinių kiečių biomasei išauginti ir biokurui paruošti MJ ha^-1.

Pavėsiniai kiečiai (Artemisia dubia Wall.) pirmaisiais augimo metais sausųjų medžiagų sukaupė tik 4,92 t/ha, o antraisiais auginimo metais derlius juose vidutiniškai padidėjo apie 4,69 kartus. Antraisiais metais vidutinis derlingumas padidėjo iki 24,6 t·ha^-1 sausosios masės. Nors pirmaisiais auginimo metais derlingumas buvo palyginti menkas, tačiau apskaičiuoti energijos efektyvumo rodikliai buvo teigiami: deginant smulkintų pavėsinių kiečių biomasę, kito nuo 4,7 iki 5,2, o ruošiant biokurą - nuimtą derlių džiovinant ir granuliuojant, energijos efektyvumo rodiklių reikšmės kito nuo 3,1 iki 3,5.

Antraisiais ir trečiaisiais pavėsinių kiečių auginimo metais gerokai padidėjus derlingumui, energijos efektyvumo rodiklis padidėjo iki 15, o išaugintą pavėsinių kiečių biomasę džiovinant ir granuliuojant, energijos efektyvumo rodiklių vidutinė reikšmė buvo apie 7.

Ruošiant biokurą mažos galios katilinėms arba vartotojams, nutolusiems nuo auginimo plantacijų, dėl biokuro tolimų pervežimų efektyvumo padidinimo, verta naudoti biokuro sutankinimo technologijas - granuliavimą. Išaugintos žaliavos perdirbimas į biokuro granules ar briketus reikšmingai padidina sampilo tankį ir lyginamąsias energijos sąnaudas. Energijos sąnaudoms įtakos turi nuimtos žaliavos drėgnis, nes čia būtina biomasę džiovinti. Skaičiuotina energinio efektyvumo rodiklio K_1vid reikšmė buvo apie 15, o biomasę džiovinant ir granuliuojant - apie 7.

Apibendrinimas

Atsinaujinantiems energijos ištekliams gausinti perspektyvūs yra stambiastiebiai daugiamečiai žoliniai energetiniai augalai. Vidutinio klimato platumoje termocheminės konversijos būdu iš šių augalų išgaunama naudinga bioenergija siekia 260-480 GJ·ha^-1, o gaminant granules ir konvertuojant - 190-470 GJ·ha^-1.

Praktikoje deginant energetinių augalų energijos efektyvumo rodikliai bus nežymiai mažesni už apskaičiuotus, nes kiekvienu konkrečiu atveju bus prarandama šiek tiek energijos pačiose jėgainėse ir šiluminės energijos skirstymo sistemose.

Taigi, šie žoliniai energetiniai augalai galėtų būti naudojami bioenergetikoje, tačiau, esant žemai naftos kainai, vis dar negali pralenkti ir pademonstruoti didelio ekonominio efekto. Be to, reikia išsamesnio savybių įvertinimo ir technologijų priemonių parinkimo bei technologinių procesų valdymo optimizavimo. Taip pat svarbu atlikti poveikio aplinkai studiją, įvertinti jų augimo ir plitimo sąlygas mūsų gamtinėmis sąlygomis ir nustatyti poveikį žmonių sveikatai.