Proso rózgowe – alternatywny surowiec do produkcji energii

Wzrastające zapotrzebowanie na energię oraz rosnące ceny paliw sprawiają, że poszukuje się nowych rozwiązań i technologii wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energetycznych. Proso rózgowe – alternatywny surowiec do produkcji energii.

W  Instytucie Hodowli i  Aklimatyzacji Roślin w  Radzikowie, gdzie prowadzono prace badawcze nad przydatnością niektórych gatunków traw na cele energetyczne, uwzględniono i  zaaklimatyzowano nowy gatunek trawy – proso rózgowe (Panicum virgatum).

Kilkuletnie prace hodowlane doprowadziły do uzyskania materiałów prebreedingowych, a  następnie wyodrębnienie dwóch odmian „Mardan” i „Radmar”, które znajdują się obecnie w badaniach rejestrowych w  Centralnym Ośrodku Badania Odmian Roślin Uprawnych w Słupi Wielkiej. Proso rózgowe jest rośliną wieloletnią, w odróżnieniu od kukurydzy i  trzciny cukrowej, dostarcza dużego plonu biomasy od 15 do 25 t z  ha. Roślina pochodzi z  Ameryki  Północnej i  charakteryzuje się typem fotosyntezy C4.

Jest to gatunek wieloletni, który wytwarza okazałe, zielone lub szarozielone kępy dorastające od 1,5 do 1,8 m wysokości. Ta nowa trawa energetyczna, ze względu na szereg korzystnych cech biologicznych i  właściwości technologicznych, może być przydatna jako biomasa, zarówno do bezpośredniego spalania, jak i do produkcji biogazu oraz na paszę.

Roślina charakteryzuje się:

  • doskonałą adaptacją w  naszych warunkach klimatycznych,
  • małymi wymaganiami wodnymi, glebowymi (piaszczyste, lekkie),
  • dużymi wymagania termicznymi,
  • tolerancją na niskie temp. do -25°C,
  • dużą trwałością plantacji do 10-12 lat,
  • wysokim plonem biomasy suchej 10-14 t/ha (faza generatywna), o dużej zawartości włókna i celulozy,
  • bardzo dużym ulistnieniem, w  fazie pełni kłoszenia biomasa nadająca się świetnie na biogaz (uzysk metanu 8 tys. m3 z ha),
  • silnie rozbudowanym i głębokim systemem korzeniowym,
  • rozmnażaniem generatywnym, wytwarzając nasiona o stosunkowo dobrej żywotności (po okresie spoczynku 1-2 lat).

Aspekt środowiskowy

W  dzisiejszych czasach nieustanny rozwój przemysłowy skutkuje coraz większym zapotrzebowaniem na energię, a  surowce kopalne stosowane dotychczas do jej pozyskiwania są na wyczerpaniu. Ponadto zjawisko to rodzi wiele zagrożeń, zwłaszcza związanych z  zanieczyszczeniem i  degradacją środowiska naturalnego naszej planety.

Spośród wielu źródeł przyjaznej dla środowiska postaci energii odnawialnej coraz większe zainteresowanie wzbudza biomasa. Z punktu widzenia ekologii najbardziej efektywne są uprawy wieloletnie, np. trawy, porównując z  uprawami jednorocznymi (np. zboża, burak czy kukurydza).

Z  racji ograniczonych możliwości wykorzystania drewna z  lasów, konieczne będzie uzupełnienie tego biopaliwa nowymi gatunkami energetycznymi, np. trawami wieloletnimi. Według badań amerykańskich (Mc Laughlin i  wsp. 2002) każda tona biomasy prosa rózgowego wyprodukowana na potrzeby energetyczne podwyższa poziom węgla w  glebie o  83  kg, zwłaszcza na gruntach początkowo ubogich w  materię organiczną.

Silnie rozbudowany system korzeniowy tego gatunku przyczynia się również do ograniczenia erozji gleby, zmniejszenia skali wymywania składników pokarmowych oraz podwyższenia aktywności mikrobiologicznej podłoża (Mc Laughlin i wsp. 2002). Roczna produkcja biomasy podziemnej tego gatunku określona została na ok. 6,7 t/ha (Liebig i  wsp. 2005).

Z  silnie rozbudowaną częścią podziemną związana jest zdolność do znacznej sekwestracji węgla w glebie (ok. 1 tony C na 1 ha rocznie), co ma kolosalne znaczenie w redukcji ogólnego bilansu dwutlenku węgla.

Podstawowe zasady technologii uprawy

Wymagania glebowe i wodne

Proso rózgowate może być uprawiane na glebach lekkich lub średnio zwięzłych, umiarkowanie zasolonych lub zasadowych, choć toleruje również gleby kwaśne. Roślina bardzo dobrze znosi okresowe deficyty wody, nawet przy uprawie na glebie piaszczystej. Pomimo pochodzenia ze strefy klimatu gorącego, roślina również bardzo dobrze zimuje w warunkach klimatu Polski.

Uprawa i zbiór

Plantację prosa rózgowatego powinno się zakładać późną wiosną (druga połowa maja, czerwiec), kiedy temperatura gleby osiąga 10-15°C. Z  uwagi na spoczynek pożniwny, który może dotyczyć nawet 95  proc. świeżo zebranych nasion, należy wysiewać nasiona roczne lub dwuletnie. Głębokość siewu nie powinna przekraczać 1 cm. Na terenach wilgotnych proso rózgowate zaleca się uprawiać w rozstawie rzędów od 60 do 90 cm, a na terenach suchych – od 90 do 120 cm.

Ilość nasion związana jest z rozstawą i  tak, dla 60  cm wynosi ona ok. 10 kg/ha. Dla rozstawy 90 cm ilość tę należy
pomniejszyć do 3/4, a dla 120 cm – o połowę. Specyfiką nasion tego gatunku jest ich przydatność do wysiewu  dopiero po ustąpieniu naturalnego spoczynku, tzn. po roku przechowywania w  magazynie lub podobnym miejscu.

Kluczową kwestią w zakładaniu plantacji prosa i ich pielęgnacji jest zachwaszczenie. Rośliny po siewie wolno  wschodzą i wolno się rozwijają, dlatego przygotowanie stanowiska do siewu i późniejsze odchwaszczanie uprawy są bardzo istotne. Do zwalczania chwastów dwuliściennych zaleca się zastosowanie przedwschodowe herbicydów. Po wschodach należy odczekać, aż rośliny prosa dostatecznie się rozwiną.

Najlepiej sprawdzają się herbicydy na bazie simazinu bądź atrazinu. Chwasty jednoliścienne najlepiej kosić.  Omawiany gatunek ma wiele zastosowań, które determinują sposób zbioru. Zbiór biomasy można prowadzić jednokrotnie bądź dwa razy – roślina odrasta po ścięciu. Zbioru można dokonać urządzeniami używanymi do zbioru np. zbóż, kukurydzy itp.

Wymagania nawozowe

Pomimo produkcji znacznej ilości nadziemnej i  podziemnej biomasy, gatunek ten nie ma zbyt wysokich wymagań nawozowych. Zawartość azotu w  trawach szlaku C4 fotosyntezy jest niższa o ok. 50 proc. w stosunku do traw klimatu umiarkowanego (C3) (Samson i wsp. 2005). W roku wysiewu nie jest konieczne nawożenie plantacji, zwłaszcza azotowe, gdyż może ono sprzyjać wzrostowi zachwaszczenia.

Od drugiego sezonu późną wiosną korzystne jest stosowanie nawożenia azotowego w  dawce 50-130 kg/ha. Generalnie roślina reaguje pozytywnie na nawożenie mineralne i na jednym stanowisku można ją uprawiać przez co najmniej kilkanaście lat.

Plon i wartość technologiczna

Możliwe do uzyskania w  Polsce plony tego gatunku szacowane są na ok. 10-12 t suchej masy z 1 ha, przez ok. 10-15 lat już od dwóch lat po wysiewie nasion. Z jednej tony biomasy prosa po odpowiednim przetworzeniu można uzyskać do 380-400 l etanolu. W porównywalnych warunkach uprawy i  przeroby z  trzciny cukrowej można uzyskać 66,5 proc. a z kukurydzy – 40 proc. tej ilości biopaliwa.

Wykorzystanie i efektywność energetyczna

Na biogaz

Zielona biomasa wegetatywna prosa rózgowego z  powodzeniem może być wykorzystywana do produkcji biogazu. Biomasa ta zebrana w  fazie wykłoszenia, charakteryzuje się dużym uzyskiem biogazu i dobrym współczynnikiem fermentacji.

Uzyskany biogaz charakteryzuje się stosunkowo wysokimi parametrami czystego metanu. Ponadto produkt pofermentacyjny z biogazu (odpad organiczny) można zastosować do rekultywacji gleb słabych i ubogich celem wzbogacenia w  masę organiczną i zwiększenia żyzności.

Do spalania

Biomasa generatywna (słoma) tej nowej trawy energetycznej, ze względu na wysoką zawartość włókna i celulozy, może stanowić cenne, obiecujące źródło energii do bezpośredniego ogrzewania mieszkań, budynków użyteczności publicznej, szklarń, tuneli. Uzyskana corocznie biomasa jest cennym surowcem do bezpośredniego spalania w postaci brykietów, pelletu czy sprasowanych bel. Biomasa prosa rózgowego o  wilgotności ok. 15-20 proc. dobrze się sprasowuje i brykietuje.

Badania wykazały, że temperatura spalania wynosi ok. 17-18 MJ/kg i  jest wyższa niż innych polowych roślin  energetycznych, a  zbliżona do wierzby czy miskantusa. Wartość opałowa suchej masy uzyskanej z  1 ha plantacji może równoważyć ok. 5 t węgla kamiennego. Sprasowana słoma po spaleniu pozostawia niewiele popiołu, ok. 5 proc., popiół ten może być wykorzystany do nawożenia gleb ze względu na znaczną zawartość potasu.

Bioetanol

Biomasa lignocelulozowa prosa rózgowego z powodzeniem może być wykorzystywana do produkcji etanolu  celulozowego. Z jednej tony prosa rózgowego można potencjalnie wyprodukować ok. 400 l etanolu. To daje potencjał wyprodukowania ok. 9500 l etanolu z  ha, w porównaniu do ok. 6200 l z ha trzciny cukrowej i ok. 3800 l z ha  kukurydzy.

Gatunek ten uważany jest za jedną najbardziej efektywnych energetycznie upraw roślinnych. Produkcja energii netto (czyli różnica pomiędzy energią włożoną w  wytworzenie jednostki produktu a  energią pozyskaną w  wyniku przetworzenia biomasy) tego gatunku wynosi 163,8 GJ/ha przy plonie na poziomie 9 t s.m z  ha. Taka sama kalkulacja wykonana dla kukurydzy daje 89,2 GJ/ha (przy plonie ziarna 5,7 t/ha), a dla żyta 34,7  J/ha (plon ziarna 2,3 t/ha).

Z  ekonomicznego i  gospodarczego punktu widzenia proso rózgowe jest rośliną mało wymagającą, stosunkowo łatwą w  uprawie, a  przede wszystkim tańszą od pozostałych, np. wierzby, miskantusa. Efektywność energetyczna analizowana jest na podstawie uzyskania plonu biomasy i otrzymanej energii z surowca do wielkości nakładów energetycznych poniesionych na jego wytworzenie: uprawa, nawozy, zbiór, przechowywanie, transport.

[Ee] = energia uzyskana z produktu / energia włożona w jego wytworzenie

Reasumując, proso rózgowe idealnie nadaje się do celów energetycznych. Wytwarzana biomasa najczęściej ma zastosowanie w  produkcji bioetanolu, do spalania w kotłach grzewczych przy produkcji energii cieplnej i elektrycznej, na biogaz w  postaci kiszonki. Ponadto biomasa stanowić może pełnowartościową paszę dla zwierząt hodowlanych, w  formie siana lub kiszonki, oraz pożywienie i schronienie dzikiego ptactwa.

Z  powodzeniem rośliny prosa rózgowego mogą być wykorzystywane przeciwerozyjnie i do rekultywacji gleb skażonych. Wielokierunkowość wykorzystania, duże zdolności adaptacyjne do różnych warunków klimatyczno-glebowych oraz trwałość plantacji wskazują na potencjalne możliwości wprowadzenia prosa rózgowego do uprawy i możliwości sukcesywnego jej rozszerzenia areału.

Należy pamiętać, że plantację prosa rózgowego powinno się zakładać późną wiosną (tak jak kukurydzy), gdyż pełny potencjał produkcyjny uzyskuje dopiero po trzech latach wegetacji. Okres jej użytkowania może trwać nawet  kilkanaście lat.

 

Tekst: dr inż. Danuta Martyniak
adiunkt, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin PIB w Radzikowie otrzymała w dniu 13.08.2017 r. odznaczenie państwowe z postanowieniem Prezydenta RP – Złoty Krzyż Zasługi za zasługi w działalności na rzecz rozwoju odnawialnych źródeł energii i rozwoju hodowli roślin energetycznych.

Zdjęcie: D. Martyniak

Literatura:
Liebig M.A., Johnson H.A., Hanson J.D., Frank A.B., Soil carbon under switchgrass stands and cultivated cropland. Biomass and Bioenergy, 2005, 28: 347-354. Mc Laughlin S.B., de la Torre Ugarte D.G., Garten C.T., Lynd L.R.,  anderson M.A., Tolbert V.R., Wolf D.D., High-value renewable energy from prairie grasses. Environ. Sci. Technol, 2002, 36 (10): 2122-2129.