1.2. Енергетичні рослини

Крім деревного палива, важливою складовою твердого біопалива є енергетичні рослини _ (рис. 14.3.1).

Енергетичними рослинами вважаються [18]:

• однорічні рослини з високим вмістом цукру та крохмалю (зернові, картопля, цукрові буряки), які використовуються для виробництва етанолу;

• олійні рослини (ріпак, соняшник тощо), з яких виробляють рослинну олію з подальшою її переробкою на біодизель;

- багаторічні трави, висота яких становить 3-4 м. В середньому вміст целюлози в них складає близько 34 %, геміцелюлози - 30 %, лігніну - 20 %, а зольність становить 2-3 % [19]. Вони застосовуються шляхом прямого спалювання подрібненої біомаси або для виробництва паливних гранул. До багаторічних трав відносяться міскантус, топінамбур, гірчак сахалінський, щавнат тощо.

Міскантуси (слоняча трава) відносяться до багаторічних трав. їх дикорослі форми зустрічаються в Японії, Китаї, Таїланді, на сході Росії, а також в США. У нашому ж кліматі як енергетичну культуру доцільно вирощувати два види: міскантус китайський (Miscanthus sinensis gigantea) та міскантус цукровий (Miscanthus sacchariflorus). Теплота згорання їх біомаси становить 17 МДж/кг.

Міскантус китайський (міскантус гігантський) - багаторічний злак із зеленим жорстким шершавим листям з білою лінією посередині та могутньою кореневою системою, яка досягає глибини 2,5 м. Рослина утворює рихлий кущ висотою 2-3,5 м та діаметром стебел 1-3 см. Міскантус невибагливий до ґрунтів, а тому за умови достатнього зволоження у перший рік вирощування може рости на малородючих землях. Для енергетичних потреб використовуються широкі тверді, заповнені губчастою серцевиною стебла. Продуктивність вирощування міскантуса китайського становить 100-300 ц/га сухої речовини, тривалість використання плантації - приблизно 15 років. Саджанці висаджують за схемою 1x1 м.

Міскантус цукровий має жорсткі стебла довжиною до 2,5 м та діаметром 1 см. В умовах України 1 га його посівів забезпечує вихід 50-200 ц сухої речовини. На відміну від міскантуса китайського, він легше переносить заморозки. Міскантус цукровий добре росте на легких не дуже вологих ґрунтах, багатих на поживні елементи. Рослини висаджують за схемою 0,5x1 м [148].

Топінамбур або земляна груша (Helianthus tuberosus), що іноді вирощується на присадибних ділянках, є дуже близьким родичем звичайної для України рослини - соняшника. Дикорослі рослини топінамбура зустрічаються у Північній Америці. Рослини сягають висоти 2-4 м з діаметром стебла до 3 см. Топінамбур може рости на будь-яких землях і в різних кліматичних зонах, однак кращими для нього є не дуже щільні ґрунти. Як енергетичну культуру його вирощують завдяки надземній частині та бульбам. Висушену надземну частину топінамбура можна безпосередньо спалювати або переробляти на гранульоване паливо, а бульби -використовуються для виробництва біоетанолу.

Гірчак сахалінський (Polygonum sachalinense) у природі зустрічається на Далекому Сході і являє собою трав'янисту рослину, стебла якої можуть сягати до 3 м заввишки; листки мають довжину 30 см та ширину 15 см. Рослина зимостійка і при належному удобренні забезпечує добрі врожаї. Період експлуатації плантації гірчака сахалінського - 15 років. При відносно короткому вегетативному періоді (від квітня до перших приморозків), рослини характеризується значним приростом біомаси.

Щавнат (щавель овочево-кормовий сорту Румекс) - багаторічна культура, яка може на одному місці інтенсивно використовуватись від 8-10 до 15 років. Незалежно від часу сівби в перший рік вегетації генеративних пагонів не утворює, проте формує потужну прикореневу розетку листків. Починаючи з другого і в наступні роки життя, навесні, одночасно з таненням снігу, відбувається регенерація прикореневої розетки листків і з бруньок відновлення, розташованих на кореневій шийці, розвивається 2-5 генеративних пагонів. Діаметр стебел біля основи становить 15-24 см. У кінці вегетації рослина досягає висоти 2,2-2,8 м. Румекс зимо- та холодостійкий. Шкідники та хвороби суттєво не впливають на його стан, а середня урожайність зеленої маси становить близько 1090 ц/га [138].

Сіда багаторічна (мальва пенсільванська) (Sida hermaphrodita), яка вже давно була інтродукована до умов України, досі не знайшла належного місця на наших полях. У дикому вигляді ця рослина зустрічається у Північній Америці, інші різновиди цього виду зустрічаються на просторах Африки, Австралії та Островах Зеленого Мису. Сіда багаторічна являє собою кущ з добре розвиненою кореневою системою та декількома десятками пагонів до 4 м завдовжки та 0,5-3,5 см в діаметрі. Рослина розмножується вегетативно - за допомогою кореневих відростків, а також насінням. Сіда багаторічна невибаглива до клімату та ґрунтових умов. У сільськогосподарській практиці її плантації можна використовувати протягом 15-20 років. На енергетичні цілі використовують

надземні частини рослин, тобто здерев'янілі і засохлі пагони. Збирання біомаси проводиться щорічно, причому кожен гектар забезпечує вихід 120 ц сухої речовини.

Троянда багатоквіткова (Rosa multiflora) у дикорослій формі зрідка зустрічається на території України у вигляді дуже високих і широких кущів з довжиною пагонів до 4-7 м. Цей вид троянди не дуже вибагливий до ґрунтово-кліматичних умов, а тому добре переносить піщані ґрунти і може рости навіть на дюнах. Великою перевагою цієї рослини є її стійкість до несприятливих погодних умов, зокрема до дії низьких температур і тривалої посухи. Безшипові сорти троянди багатоквіткової на енергетичних плантаціях висаджують за схемою 0,5x1 м. Збирання біомаси полягає у зрізанні пагонів рослини на висоті близько 0,1 м над поверхнею ґрунту. Характерною ознакою троянди багатоквіткової є дуже швидке наростання біомаси, урожайність якої, залежно від ґрунтових умов, може складати 100-200 ц/рік. У Західній Європі троянда багатоквіткова використовується при рекультивації територій, схильних до вітрової та водної ерозії.

Спартина периста (Spartina pectinata) створює обширні зарості з довжиною стебел до 2 м. У природних умовах вона зустрічається в Північній Америці. Спартина периста невибаглива до ґрунтів і в умовах України може забезпечувати врожаї до 300 ц/га [148].

Теплова цінність багаторічних трав близька до деревного палива. Так теплота згорання міскантуса при вологості 15-20 % становить 15-17 МДж/кг, мальви пенсільванської - 12-14 МДж/кг [87].

Відходи сільськогосподарського виробництва за хімічним складом і тепловою цінністю також близькі до деревини. Вони характеризуються порівняно високою теплотою згорання, малою зольністю і вологістю. їх використовують як побутове паливо, а також для забезпечення деяких виробничих потреб (корм для худоби, солом'яні мати, підстилка для тварин, субстрат для вирощування грибів тощо). Великий питомий об'єм, який займають відходи сільськогосподарського виробництва, ускладнюють їх транспортування і застосування. Тому часто ці відходи подрібнюють, готуючи січку, а іноді - пилоподібне паливо. Найчастіше з них виготовляють брикети різної форми та розмірів.

До відходів сільськогосподарського виробництва належать солома, лушпиння, костриця, стебла соняшнику тощо.

Солома - сухі стебла злакових і бобових зернових культур, що залишаються після обмолоту, а також стебла льону, конопель, кенафу та інших рослин, звільнені від листя, суцвіть, насіння.

Розрізняють солому озиму і яру, злакову та бобову, за видами рослин -пшеничну, житню, ячмінну, лляну, конопляну тощо. Хімічний склад і поживність залежать від виду рослин, клімату, способів збирання, обмолоту, зберігання та інших чинників. У пшеничній соломі міститься 40 % целюлози, 28 % геміцелюлози, 17 % лігніну, 6-7 % золи [19].

Урожайність соломи залежить від культури і визначається врожайністю основної продукції, тобто зерна (див. табл. 14.4).

Використання соломи культур для енергетичних потреб, порівняно з іншими видами рослинної біомаси, на сьогодні є найбільш перспективним, адже питома вартість соломи, у порівнянні із мінеральними видами палива, набагато нижча

(табл. 14.5).

Енергетична цінність соломи залежить перш за все від її вологості та хімічного складу, що пов'язане з типом соломи і умовами вегетації рослин. Так, наприклад, теплота згорання конопляної соломи становить 15,74 МДж/кг. Хімічний склад та теплота згорання деяких видів соломи наведена в табл. 14.6.

Солома містить велику кількість хлору та азоту, тобто елементів, які в процесі спалювання спричиняють підвищену емісію оксидів азоту Ж)_Х. Кремній та калій, котрі містяться у соломі, обумовлюють запікання нагару на колосниках топок котлів, що ускладнює експлуатацію установок. Суттєвим недоліком застосування соломи в енергетичних цілях є висока її зольність. Крім того, при спалюванні соломи в атмосферу викидається велика кількість дрібнодисперсного пилу, що вимагає застосування спеціальних фільтрів.

Вологість соломи, призначеної для енергетичних потреб, не повинна перевищувати 20-25 % (оптимальне значення - 15 %) [84]. При цьому перебування соломи на полі після комбайнового збирання обумовлює вимивання хлору та калію.

Важливою характеристикою соломи для енергетичного використання є собі­вартість її заготівлі, яка визначає продажну вартість. Остання є досить низькою, поки солома лежить на полі. Так у 2007 р. в Черкаській та на околицях Київської областей солома з поля продавалась за ціною 60 грн./т [145]. Технологія заготівлі соломи в вигляді скирт, коли після комбайна копи волокушами стягуються до місця скиртування, затратна щодо паливних та трудових ресурсів. До того ж в такому вигляді солома має великий об'єм і низьку насипну вагу, тому транспортувати її на далекі відстані нерентабельно, а спалювати досить важко. Найбільш ефективно заготовлювати солому в вигляді тюків та рулонів, адже солома при цьому за допомогою прес-підбирачів ущільнюється і приймає зручну для транспортування та використання форму. В 2007 р. солома в тюках біля Києва коштувала 120-250 грн./т [145]. В подальшому для рентабельного транспортування на далекі відстані та застосування в побутових котлах солома може піддаватись брикетуванню.

Форма заготівлі соломи впливає на її енергетичну цінність (табл. 14.7) та транспортні витрати при її перевезенні.

Костриця — внутрішня тверда неволокниста частина стебел прядивних рослин (конопель, льону тощо), що залишається у вигляді дрібних колючих трісочок під час попередньої обробки цих рослин. Кострицю використовують для виготовлення тепло- і звукоізоляційних матеріалів, картону, ацетону. Попіл з костриці, в складі якого є 4,8 % фосфору, 6,3 % калію, корисний як фосфорно-калійне добриво. Паливні гранули з костриці є висококалорійним джерелом енергії, згорають яскравим полум' ям, практично не коптять і залишають малу кількість попелу. Теплова цінність костриці становить 15,9 МДж/кг, зольність -

5,3 %.

Лушпиння — біомаса у вигляді твердого субпродукту, що утворюється в результаті переробки насіння соняшнику, рису, гречки тощо.

Соняшникове лушпиння містить 56-59 % клітковини (целюлози та лігніну), його застосовують як субстрат для штучного культивування грибів та в якості палива, яке можна спалювати безпосередньо в топках та переробляти на паливні гранули. Механічні та теплотехнічні параметри лушпиння різних культур показані в табл. 14.8.

Аналогічно до соняшникового лушпиння використовують лушпиння рицини, частка якого становить 20-25 % (містить 67-68 % клітковини). На підприємствах харчової промисловості при виробництві гірчичного порошку отримують гірчичне лушпиння, вихід якого складає 7-12 %. В якості палива може застосовуватись і лушпиння рису (теплота згорання 13,3 МДж/кг) [87], гречки, проса тощо. Вихід рисового і просяного лушпиння складає від 16 до 25 % маси зерна.

Соняшникове лушпиння на підприємствах олієжирового комплексу України в 2009 р. оприбутковувалось за ціною приблизно 6 грн/т. При церевезенні його ціна може зрости до 50 грн/т.

Шкаралупа горіхів (грецького, манжурського, лісового тощо) - тверда плодова оболонка горіхів, яка залишається після видалення горіхового ядра. Вона має вологість 3,3-7,6 %, зольність - 6-7 %, щільність - 700 кг/м³. Теплота згорання горіхової шкаралупи становить близько 23 МДж/кг. В якості палива застосовують в непереробленому або гранульованому вигляді.

Кочережка - тверда частина кукурудзяного качана, яка є відходом підприємств, що відокремлюють кукурудзяні зерна від качанів. Частка кочережки становить 25-35 % від маси качанів, довжина в середньому складає 10-15 см, діаметр - 15-20 мм. Вона є цінною паливною сировиною з теплотворною здатністю близько 14,7 МДж/кг при вологості 10 % та зольності 2,5 %. Враховуючи, що валовий збір кукурудзи на зерно складає 8,8 млн. т, щорічні ресурси цієї сировини становлять 2,2-3,1 млн. т. Кочережки застосовуються як паливо в натуральному вигляді або переробляються на паливні гранули [87].

Стебла соняшнику залишаються після збирання кошиків з насінням; їх довжина 1,2-1,5 м, іноді - 2,5 м. Урожай стебел становить 20-60 ц/га. Враховуючи досить високу теплоту згорання (12,5 МДж/кг) [17], соняшникові стебла, яких щорічно можна збирати понад 10 млн. т (враховуючи, що валовий збір соняшникового насіння становить понад 5 млн. т, а врожайність стебел в два рази перевищує врожайність насіння (див. табл. 13.5), можуть бути суттєвим ресурсом біопалива.