Biomasa – obnovljivi izvor energije

Biomasa i ostali obnovljivi izvori energije

Težnja EU za energetskom neovisnošću, nestabilnost cijena fosilnih goriva i efekt staklenika, glavni su pokretači korištenja novih, čistih CO2-neutralnih goriva. Obzirom da je Hrvatska postala punopravna članica EU, samim time je preuzela obveze iz Direktive Europske komisije (2009) koja nalaže promociju i uporabu energije iz obnovljivih izvora. Njome su sve članice EU dužne povećati energetsku efikasnost i uštedjeti 20% energije, dostići 20% energije iz obnovljivih izvora u ukupnoj potrošnji, te smanjiti emisiju stakleničkih plinova za 20% (2009/28/EC).

Kao jedan od dobrih putova u ispunjenju ove direktive danas se sve više prepoznaje mogućnost korištenja biomase i ostalih obnovljivih izvora energije. Prema direktivi EU i Vijeća Europe biomasa je definirana kao „biorazgradivi dijelovi proizvoda, otpada ili ostataka iz poljoprivrede, šumski otpad i otpad srodnih industrija kao i biorazgradivi dijelovi industrijskog i gradskog otpada”. Biomasu čine proizvodi biljnog i životinjskog svijeta, u to se ubrajaju neiskorišteni dijelovi šumarsko – drvne industrije, poljoprivredne proizvodnje, prehrambene industrije, komunalnog otpada organskog porijekla i sl. Glavna prednost korištenja biomase kao izvora energije su obilni potencijali, ne samo za tu namjenu uzgojenih biljnih vrsta, već i nusproizvoda i otpadnog materijala u poljoprivrednoj i prehrambenoj industriji. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je i neusporedivo manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Računa se da je opterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući da je količina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka količini apsorbiranog CO2 tijekom rasta biljaka. Biomasa je dakle CO2 neutralno gorivo. Sagorijevanje je najučestaliji način dobivanja energije iz biomase.

Sagorijevanjem biomase oslobađa se toplina koja se može izravno koristiti za grijanje ili upotrijebiti za proizvodnju električne energije. Plinofikacija je drugi način korištenja biomase, pri čemu se biomasa pretvara u plin. Taj plin se može izravno koristiti ili posredno za dobivanje drugih oblika energije (npr. električne energije). Bioplin je smjesa plinova nastalih djelovanjem bakterija pri anaerobnoj razgradnji organske tvari. Postoje dokazi da je bioplin korišten za grijanje kupelji u Aziji od 10. stoljeća, u Perziji od 16. stoljeća. Marco Polo spominje da su u Kini koristili kanalizacijski otpad za proizvodnju bioplina prije 2.000-3.000 godina. Metan je prvi i najvažniji sastojak bioplina, a sama kvaliteta bioplina mjeri se po udjelu metana. Biodizel je metilni ester proizveden iz ulja uljarica ili ulja animalnog porijekla, kakvoće mineralnog dizela, a koristi se kao biogorivo. Najvažnije sirovine za proizvodnju biodizela su: uljana repica, suncokret, soja, palma, otpadno jestivo ulje, goveđi loj itd. Iz biomase se mogu dobiti i alkoholna goriva (bioetanol). Najvažnije sirovine za proizvodnju bioetanola su: šećer (šećerna trska, šećerna repa, sirak), škrob (kukuruz, krumpir) i celuloza (drvo, poljoprivredni ostatci, trave). Sirovine bogate šećerima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budući da već sadržavaju jednostavne šećere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u etanol. Sirovine bogate škrobom sadržavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razložiti na jednostavne šećere procesom saharifikacije, što zahtijeva još jednu fazu u procesu proizvodnje i povećava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim celulozom sastavljeni su od još većih molekula i trebaju se pretvoriti u šećere. Najznačajnije biljne vrste koje se uzgajaju za proizvodnju etanola su: sirak, šećerna trska, sirak šećerac i kukuruz. Vodeća zemlja u proizvodnji i primjeni etanola za vozila je Brazil, gdje se svake godine proizvede više od 15 milijardi litara.

U poljoprivrednoj proizvodnji ostaje velika količina neiskorištene biomase: slama, kukuruzovina, ostaci pri rezidbi voćki, vinove loze i maslina, stabljike suncokreta i dr. i relativno su lako iskoristiv oblik energije. Biomasa nastaje uglavnom fotosintezom u biljkama, kojom se Sunčeva energija pretvara u organsku tvar. Iz biomase nastali fosilni energenti (ugljen, nafta i zemni plin) ne ubrajaju se u biomasu. Priroda svake godine proizvede ogromne količine biomase, od koje se samo mali dio koristi kao hrana, obnovljiva sirovina ili kao energent.

Globalni potencijal biomase

Površina Zemlje je oko 13 milijarda ha. Trenutna površina oranica procjenjuje se na 1,6 milijarda ha. Ukupno obradivo zemljište pogodno za uzgoj oraničnih kultura procjenjuje se na 4 milijarde ha (OECD i FAO, 2007). Kulture za proizvodnju biogoriva trenutno zauzimaju manje od 20 milijuna ha diljem svijeta, u usporedbi s 5 milijarda ha (zbroj ratarskih površina i pašnjaka) koliko su koristi širom svijeta za proizvodnju hrane za ljude i životinje. Između ranih 1960-tih i kraja 1990-ih, površina globalnih obradivih tala porasla je za svega 11%, dok se svjetska populacija gotovo udvostručila. Kao rezultat toga, potrebna površina obradivog tla po osobi pala je za 40 %, od 0,43 ha na samo 0,26 ha. Ipak, tijekom tog istog razdoblja, značajno se popravila razina prehrane i stvarne cijene hrane su pale. Ovaj trend se može objasniti spektakularnim povećanjem produktivnosti po jedinici površine tla, koje smanjuje potrebnu površinu tla po jedinici proizvoda za 56%. Iako se procijenjenih 4 milijarde ha zemljišta smatra prikladnim za proizvodnja hrane, samo je oko 1,6 milijarde ha trenutno u upotrebi.

Od 2.150.000 potencijalno obradivih površina u Hrvatskoj čak je 974.080 ha neiskorišteno, gdje bi se primjenom melioracijskih mjera mogao proširiti uzgoj poljoprivrednih kultura za proizvodnju hrane, ali i biogoriva. Potrebno je naglasiti da proizvodnja biomase nije ograničena samo na oranična tla, nego se proizvodnja odvija i na degradiranim/marginalnim tlima, koja se trenutno ne koriste za proizvodnja hrane, a kao biomasa se koriste i poljoprivredni ostatci.

Obzirom da bioenergetske kulture ne bi bi trebale biti u izravnoj konkurenciji usjevima za ljudsku i stočnu hranu, otvaraju se nova područje istraživanja s korištenjem novih biljnih vrsta i sorti. Što se tiče biljaka, istraživanjima su obuhvaćene vrste koje se ne služe za ljudsku i stočnu prehranu. Iskustvo s nekim biljnim vrstama su obećavajuće. Niska produktivnost u poljoprivredi u mnogim regijama rezultira u neodrživom korištenju zemljišta, eroziji i gubitku tla, deforestaciji i siromaštvu. Povećana produktivnost u narednom razdoblju kao rezultat boljeg gospodarenja, novih tehnologija, oplemenjenih vrsta, ulaganja u energiju postupno bi povećala intenzitet korištenja zemljišta, tako da dovoljne površine zemljišta ostanu dostupne za zadovoljavanje sve veće potražnje za ljudskom i stočnom hranom, ali i za proizvodnju biomase, odnosno biogoriva.

Bioenergetski usjevi protiv usjeva za hranu

Samo 2% oraničnih tala u svijetu se koristi za proizvodnju bioenergije, dok 30% obradivog zemljišta, presudnog za uzgoj hrane, leži neobrađeno. Ti brojevi pokazuju samo da zemljište koje služi da uzgoj sirovine za biogoriva nije glavni uzrok globalne gladi. Uz to, na 15 milijuna ha sade se kava i čaj, usjevi koji ne ublažavaju glad. UN-ova Organizacija za hranu i poljoprivredu (FAO) i International Food Policy Research Institut su objavili prijekorna izvješća u kojima su biogoriva prikazana kao glavni krivac za poskupljenje cijena poljoprivrednih proizvoda u 2007. i 2008. Obje organizacije tvrde da bi vlade trebale (hitno) preispitati svoju politiku biogoriva zbog poražavajući učinka kojeg proizvodnja biogoriva ima na cijene hrane i povećanje gladi u svijetu. Od biogoriva su napravili žrtvenog jarca za više cijene roba, ali poskupljenja su uobičajena na poljoprivrednim tržištima zbog kombinacije relativno neelastične potražnje i nepostojane opskrbe. Povijesni podaci pokazuje da je stvarna svjetska cijena pšenice (s ukalkuliranom inflacijom) u 1995. i 1996. bila 15 % veća od najvećih cijena u 2007. Osim toga, EU proizvodnja bioetanola iz pšenice počela je ozbiljno tek u 2003. godini. Stoga mora postojati cijeli niz čimbenika koji utječu na cijene roba, od kojih su neki ciklični (ponavljaju se), a neki su strukturni. Ciklični čimbenici su: nepovoljni vremenski uvjeti, koji za posljedicu imaju loše žetve u ključnim svjetskim područjima proizvodnje, ograničena robna trgovina zbog nametanja izvoznih ograničenja u različitim zemljama i spekulativna ulaganja na tržištima poljoprivrednih proizvoda. Među strukturnim čimbenicima su: rastuća potražnja gospodarstava u nastajanju, povijesno niske razine investicija u poljoprivredu, poljoprivredna istraživanja koja su usporila produktivnost, rastuća proizvodnja biogoriva i više cijene nafte. Konkretno, procjenjuje se da povećanje cijena nafte od 50 USD (€ 38) na 100 USD za barel izaziva 13% povećanje troškova u ratarskoj proizvodnji (ratarskih proizvoda) i 3-5% u stočarskoj proizvodnji (stočarskih proizvoda). Brazil ima 340 milijuna ha obradivog zemljišta, od čega samo petinu oranica (bez amazonskih šuma i drugih ekološki osjetljivih područja). Zbog vrlo visoke produktivnosti šećerne trske, koristeći približno 3,4 milijuna ha ili samo 1% svojih oranica, Brazil proizvodi dovoljno etanola za pokretanje otprilike 50% svojih osobnih automobila. Ovo je izvanredno postignuće. Proizvodnja hrane usko je povezana s dostupnošću i opskrbom energije. Nedostatak energije u poljoprivrednim sustavima ruralnih područja zemalja u razvoju jedan je od ključnih čimbenika niske produktivnosti, siromaštva i nestašica hrane. Države članice OECD troše 1 milijardu USD svakodnevno za poticaje svojim poljoprivrednicima, što je rezultira izvozom jeftinih prehrambenih artikala u zemlje u razvoju i zaustavlja razvoj njihove poljoprivrede, smanjuje prihod siromašnom stanovništvu i ubrzava depopulaciju ruralnih područja. Trenutno, gotovo 4 milijuna ha u EU ne koristi se za hranu zbog hiperprodukcije. Suficit u zemljama EU ne može doći do siromašnih ljudi u zemljama u razvoju i pridonijeti rješavanju problema gladi. Svjetska glad nije, dakle, uzrokovana nedostatkom hrane, već siromaštvom i nedostatkom adekvatnih prihoda. Uklanjanjem visokih pristojbi na biogoriva, suzbijanje poljoprivrednih subvencija i stvaranje globalnog tržišta biogoriva, sigurno će pomoći stvoriti nove mogućnosti za zemlje u razvoju, doprinijeti stvaranju novih radnih mjesta i pomoći u borbi protiv ruralnog siromaštva. Cijene hrane su porasla u cijelom svijetu zbog visokih cijena nafte, promjene prehrane, urbanizacije, širenja populacije, manjkavosti trgovinske politike, ekstremnih vremenskih uvjeta i špekulacija. Treba jasno naglasiti da je deforestacija (sječa šuma) ili zauzimanje velikih površina oraničnih tala za uzgoj energetskih usjeva ne samo nepotrebno, nego se ne smije ni tolerirati.

Perspektiva bioenergetskih usjeva

Sljedeće činjenice pokazuju ogromne potencijale biomase koji bi poboljšali proizvodnju hrane i sirovine za bioenergiju:
• Godišnja primarna proizvodnja biomase (na cijeloj Zemlji) iznosi 22 milijarde tona suhe tvari = 4500 EJ, što je 10 puta više od svjetske potrošnje primarne energije. Biomasa korištena za hranu iznosi 800 milijuna t ST= samo 0,4 % primarne proizvodnje biomase.
• Biomasa trenutno opskrbljuje 14% potrošnje energije u svijetu i za 1% globalnog transporta osigurava gorivo. Razina varira od 90 % u zemljama poput Nepala, preko 45 % u lndiji, do 28 % u Kini i Brazilu. Potencijal za poboljšanje učinkovitosti biogoriva putem novih tehnologija vrlo je visoka.
• Godišnja proizvodnja hrane je 140 % od potreba svjetske populacije.
• Velike površine viška poljoprivrednog tla u EU, istočnoj Europi, SAD i Latinskoj Americi mogle bi postati područja za značajnu proizvodnju biomase.
• Prosječna učinkovitost fotosinteze je oko 1 %. Povećanje fotosintetske učinkovitosti (kroz oplemenjivanje bilja i genetski inženjering) imao bi spektakularne efekte u proizvodnji biomase (više žetvi godišnje).
• Bioenergetski usjevi također mogu biti proizvedeni na kvalitetnim poljoprivrednim tlima bez ugrožavanja svjetske proizvodnje hrane za ljude i životinje ako se poveća učinkovitost korištenja zemljišta, posebno u regijama u razvoju. Prihodi od biomase i proizvoda dobivenih iz biomase mogli bi pružiti ključnu polugu za ruralni razvoj i poboljšanje poljoprivredne proizvodnje.

Klasifikacija i osnovne značajke biogoriva

Obnovljivi izvori energije iz poljoprivrede definiraju se koristeći pojam biogoriva koja se proizvode od biomase, a mogu se koristiti kao nadomjestak za fosilne izvore energije. Postoje dvije osnovne podjele biogoriva i to obzirom na oblik krajnjeg korištenja (kruta, tekuća i plinovita biogoriva) te vrsti biomase za proizvodnju istih (prva, druga i treća generacija biogoriva).

Uslijed drastičnog porasta cijena fosilnih energenata loživog ulja i plina tijekom zadnjih godine, grijanje na biomasu (osobito na brikete i pelete) postaje sve atraktivnije, što je rezultiralo instalacijom brojnih kućnih i industrijskih postrojenja. Kako bi se smanjili troškovi, kruta biogoriva se mogu koristiti i u tzv. rinfuznom stanju, odnosno u formi sječke ili bale. Međutim, u tim oblicima energetskog iskorištenja gubi se efikasnost tijekom procesa izgaranja u odnosu na peletirani i briketirani oblik te se iz toga razloga u većini slučajeva pristupa procesima sabijanja. Briketiranjem ili peletiranjem bolje se iskorištava kruto biogorivo u sitnim (praškastim) oblicima, dajući im pogodniji oblik i povećavajući im ogrjevnu vrijednost. Svakako je bitno napomenuti da su novija ložišta potpuno automatizirana te iziskuju minimalni ljudski rad. Trenutno najzastupljenija tekuća biogoriva su biodizel i bioetanol. U ovisnosti o sirovini nastajanja, oba navedena tipa susrećemo i u prvoj i u drugoj generaciji biogoriva.

Briketiranje, a i peletiranje se sastoji od zbijanja sitnih zrna biomase pod pritiskom u kalupima, pri tome formirajući propisane oblike. Da bi se biomasa povezala u jednu cjelinu obično se dodaje sredstvo za vezivanje (lijepljenje) zrnaca. Ova sredstva mogu biti različita, odnosno organskog ili anorganskog porijekla. Nadalje, tijekom proizvodnje briketa i peleta mora se obratiti pozornost na kvalitetu istih. Kvaliteta briketa/peleta se prvenstveno manifestira kroz energetsku vrijednost (ovisno o sirovini), gustoću i čvrstoću (otpornost na habanje), te uniformnu širinu i dužinu. Osnovne osobine briketa/peleta de finirane su standardima ONORM, DIN plus M7135 i DIN 51731 koji se odnose isključivo za drvnu biomasu, dok za poljoprivrednu biomasu standard još nije utvrđen. Korištenjem briketa/peleta imamo višestruku korist:

• olakšana mogućnost transporta i manipulacije u odnosu na rinfuzne oblike,
• imaju dobru (trajnu) sposobnost uskladištenja,
• sagorijevanjem se oslobađa samo ona količina CO2 koju je biomasa tijekom rasta preuzela fotosintezom iz atmosfere,
• preradom u brikete/pelete ostatcima poljoprivredne proizvodnje raste cjenovna vrijednost.

Biogoriva prve generacije su vrsta goriva koja se uglavnom proizvode od šećera, žitarica ili uljarica i zahtijevaju relativno jednostavan proces kako bi se proizvelo gotovo gorivo.

Biodizel prve generacije se definira kao metilni ester masnih kiselina proizveden iz ulja uljarica (uljana repica, suncokret, soja, palma) i masti životinjskog podrijetla. Bez ikakvih dodatnih preinaka na dizel motorima se može dodavati u omjeru od 5%, a određeni tipovi motora mogu koristiti i 100%-tni biodizel. Nedostatci biodizelskog goriva su: neznatno lošije osobine u odnosu na mineralni dizel (smanjuje snagu motora za 3 do 5 %), pri nižim temperaturama (< – 8C°), ukoliko se ne dodaju aditivi, mijenja agregatno stanje i prelazi u gel, kod starijih automobila djeluje kao otapalo i može uzrokovati otapanje boje. Međutim, jedna od najvećih ograničenja u proizvodnji biogoriva prve generacije, je kompeticija za proizvodnim površinama s površinama za proizvodnju hrane. Slijednom navedenog, početkom 2000.-tih dolazi do intenzivnog razvoja biogoriva druge generacije. Za razliku od prve generacije, druga generacija kao primarnu sirovinu koristi isključivo ostatke poljoprivredne proizvodnje (npr. oklasak, sijeno, slama) odnosno sirovine tzv. lignoceluloznog sastava (celuloza, hemiceluloza i lignin). Obzirom da lignocelulozni ostaci predstavljaju ujedno i dragocjenu sirovinu, bitnu za očuvanje kvalitete tla, njihovo nesmotreno uklanjanje može ozbiljno ugroziti kvalitetu tla. Prema naputcima Europske komisije, maksimalno 30% od potencijalno dostupne biomase može se koristiti u energetske svrhe. Stoga, dodatna lignocelulozna biomasa mora biti proizvedena na zasebno oformljenim plantažama sadnjom kultura za proizvodnju energije (Miscanthus, divlje proso, blještac). Nadalje, definirajući biodizel druge generacije koristimo pojam koji opisuje postupak njegovog nastajanja, odnosno Btl (Biomass to liquid – Biomasa u tekućinu). Čvrsta biomasa se pod visokim tlakom i visokom temperaturom (termokemijskim postupkom) prevodi u sintetski plin, koji se potom prerađuje u biogorivo. U prosjeku iz pet kilograma biomase se dobiva i litra biodizelskog goriva. Tako proizveden biodizel ima veliki potencijal, obzirom da se za njegovu proizvodnju mogu koristiti širok spektar sirovina odnosno različiti tipovi lignocelulozne biomase. Međutim, važno je napomenuti da se kod današnjih motora može bez problema koristiti kao mješavina ili u čistom obliku. Osim goriva koji nastaje ovim procesom, nastaje i struja, toplina i para kao nusproizvodi ove proizvodnje. Kao najveći limitirajući faktor u proizvodnji Btl goriva je skupa i složena proizvodnja – teško da će do 2020. godine biti u komercijalnoj upotrebi. Govoreći o bioetanolu prve generacije moramo znati da se radi o alkoholu proizvedenom iz šećernih i škrobnih sirovina, istih kao i za proizvodnju hrane (šećerna trska i repa te kukuruz). Da bi proizvodnja etanola bila ekonomična, potrebno je koristiti što jeftiniju i dostupniju sirovinu, koja daje zadovoljavajući prinos etanola u što jednostavnijem procesu. Etanol kao gorivo najčešće se koristi u 5 i 10% mješavinama s benzinskim mineralnim gorivom ili kao sirovina za proizvodnju visoko oktanskih naftnih aditiva. Mješavina do najviše 10% etanola u mineralnom benzinskom gorivu može se koristiti bez ikakve preinake na motorima. Ukoliko se motor pripremi za korištenje etanola tada se taj postotak penje na najviše 85% udjela etanola, u mješavini s mineralnim gorivom. Trenutno su Brazil i SAD vodeće države svijeta u proizvodnji bioetanola, a proizvode ga iz šećerne trske (Brazil) i kukuruza (SAD). Kada govorimo o etanolu druge generacije, govori se ustvari o lignoceluloznom etanolu. Kako i samo ime govori kao primarna sirovina se koristi lignocelulozna biomasa, kao i u slučaju biodizela druge generacije. Osnovni problem koji se javljaju prilikom proizvodnje etanola iz lignoceluloznih sirovina je nemogućnost fermentacije lignina pomoću mikroorganizama, koji je prateći materijal celuloze i hemiceluloze iz kojih se ustvari proizvodi etanol. Prije nego što se pristupi samoj alkoholnoj fermentaciji biomase, potrebno je prvo odvojiti celulozu i hemicelulozu od lignina, što se postiže tzv. predtretmanima (fizikalni, kemijski, fizikalno – kemijski). Međutim, obzirom da spomenuti predtretmani u velikoj mjeri narušavaju cjelokupnu ekonomsku bilancu proizvodnje, komercijalna upotreba etanola druge generacije se i ne očekuje u bližoj budućnosti. Kada se govori o plinovitim biogorivima prije svega se misli na bioplin. U posljednjih dvadesetak godina u EU je instalirano više tisuća bioplinskih postrojenja s ciljem proizvodnje bioplina. Anaerobna fermentacija je najvažniji biokemijski proces za proizvodnju bioplina, a odvija se u fermentoru postrojenja. Bioplin se sastoji od nekoliko komponenti: 55 – 70% metana, 30 – 35 % ugljikovog dioksida, 1 – 5% vodene pare te 1 – 2% plinova u tragovima. Količina i sastav proizvedenog bioplina ovisi o tipu korištene sirovine. Najčešće korištene sirovine tijekom proizvodnje bioplina su kukuruzna silaža, sijeno, gnoj, gnojnica, organski otpad. Nastali metan se može prevesti u toplinsku i/ili električnu energiju korištenjem standardnih kogeneracijskih tehnika, što je trenutno najisplativija opcija korištenja bioplina. Toplinska energija može se koristiti za zagrijavanje pare, vode ili zraka, a u praksi se najčešće koristi za zagrijavanje zaštićenih prostora i sušara. Svakako je važno za napomenuti da se proizašli supstrat nakon fermentacije tzv. fermentirani ostatak može koristiti kao kvalitetno gnojivo u poljoprivrednoj proizvodnji. U novije vrijeme biogoriva doživljavaju novu transformaciju te se počinje s istraživanjima treće generacije koja niti u jednom segmentu nisu povezena s poljoprivrednom proizvodnjom. Trenutno se kao primarna biomasa za dobivanje biogorive treće generacije koriste alge. Tijekom svoga rasta i razvoja alge zahtijevaju malu količinu hranjiva, te uz svjetlost i vodu daju velike količine kvalitetne biomase. Obzirom da su alge organizmi koji se mogu uzgajati na tlu, u moru, slatkoj vodi, otpadnoj vodi postoje različiti sustavi za njihov uzgoj (otvoreni bazeni, zatvoreni bazeni, fotobioreaktori).

Žitarice – sirovine za proizvodnju bioetanola

Danas se u svijetu velika pažnja poklanja proizvodnji biomase za proizvodnju biogoriva i razvoju tehnologija za konverziju celuloznih ostataka u etanol. Proizvodnja biogoriva iz kukuruzovine, prema nekim istraživanjima u SAD-u, vrlo je profitabilna u odnosu na druge izvore bioenergije.

Prinos suhe tvari kukuruzovine se procjenjuje na 7 – 14 t/ha godišnje. Međutim, svako uklanjanje biljne mase s površine utječe na fizikalna, kemijska i biološka svojstva tla. Smatra se da uzgajivači kukuruza mogu 35% kukuruzovine ukloniti s polja bez štetnog djelovanja na kvalitetu tla. Uklanjanje biljnih ostataka kukuruza, pšenice i sirka za zrno može negativno utjecati na tlo i okoliš. Ukoliko se ukloni više od 50% biljnih ostataka, može se promijeniti struktura tla, toplinska svojstva, utječe na zbijanje tla, pojavu pokorice, smanjenje sadržaja organske tvari u tlu. Također, pretjerano odnošenje biljnih ostataka može djelovati na pojavu erozije tla. Međutim, kao sirovina za proizvodnju biogoriva mogu se koristiti oklasci koji ostaju neiskorišteni kod proizvodnje kukuruza za suho zrno. Biomasa oklasaka čini oko 20% mase zrna, ovisno o hibridu i tehnologiji proizvodnje. Oklasci imaju sličnu energetsku vrijednost kao kukuruzovina. Sadržaj energije oklasaka kreće se od 18 – 19 MJ/kg, a kukuruzovine 17 MJ/kg.

Kukuruz

Proizvodnja bioetanola iz zrna kukuruza najzastupljeniji je način proizvodnje zbog većeg sadržaja škroba koji se relativno lako pretvara u biogorivo. Količina etanola koji se može proizvesti iz zrna kukuruza ovisi o količini škroba u zrnu i o njegovoj kvaliteti. Stoga je to i jedan od ciljeva programa stvaranja novih hibrida kukuruza. Pojedine sjemenske kuće već imaju veći broj hibrida kukuruza koji karakterizira visok sadržaj fermentirajućeg škroba te imaju vrlo visok potencijal proizvodnje etanola. Korištenje zrna kukuruza za proizvodnju etanola utječe na sve veću potražnju za kukuruzom i povećava njegovu cijenu. To se negativno odražava na proizvođače mlijeka i mesa kojima je kukuruzno zrno neophodna sirovina. S druge strane, i biomasa koja ostaje na polju nakon berbe može biti sirovina za proizvodnju biogoriva. Međutim,za takav način proizvodnje potrebni su enzimi koji se koriste za pretvorbu celuloze u glukozu. Ti enzimi su skuplji od enzima koji se koriste za pretvorbu škroba u glukozu. Stoga se danas nastoji oplemenjivanjem kukuruza stvoriti hibride kukuruza koji će sadržavati vlastite enzime unutar stanica listova i stabljike koji su potrebni za pretvorbu celuloze i hemiceluloze u jednostavne šećere. Na taj način se pojeftinjuje proizvodnja bioetanola iz biljnih ostataka kukuruza. Enzimi se aktiviraju na temperaturi od 700C tako da ne djeluju negativno tijekom vegetacije. Isto tako, enzimi se nalaze samo u listovima i stabljici, a ne i u zrnu te nema ograničenja u korištenju zrna za hranu. Oplemenjivanjem se nastoje poboljšati i kemijski sastav kukuruzovine važan za njenu razgradnju tijekom procesa proizvodnje biogoriva. Nastoji se povećati prinos biomase kukuruza mijenjanjem morfologije kukuruza, povećavanjem tolerancije na sušu i povećanjem fotosintetske aktivnosti. Zelena masa kukuruza se može koristiti i za proizvodnju bioplina. Za ovu namjenu kukuruz u berbi mora imati 30-35% suhe tvari, te je vrlo važan dobar odabir hibrida za ovu namjenu. Važno je izabrati hibride koji će ostvariti visok prinos biljne mase, a time i visoki prinos energije. U Europi se bioetanol uglavnom proizvodi od pšenice, kukuruza, ječma, raži i šećerne repe. U sjeverozapadnoj Europi najviše je zastupljena pšenica, a u središnjoj Europi i Španjolskoj kukuruz. Međutim, i u sjeverozapadnoj Europi se pribjegava uvozu kukuruza kada je proizvodnja pšenice nedovoljna za podmirenje svih potreba. Raž se za proizvodnju bioetanola koristi u Poljskoj, Njemačkoj i području Baltika, a ječam u Njemačkoj i Španjolskoj. Tritikale je također jedna od sirovina visokog potencijala za proizvodnju bioetanola. Tritikale je žitarica koja nema velike zahtjeve prema agroekološkim uvjetima i tehnologiji proizvodnje te se smatra jednom od najekonomičnijih kultura za proizvodnju etanola. Tritikale ne sadrži veću količinu pentozana te se fermentacija odvija bez teškoća. Od jedne tone tritikalea može se dobiti 417-435 l etanola.

Ječam

Ječam je također jedna od žitarica koja se može koristiti za proizvodnju biogoriva. Osobito su zanimljive sorte ječma bez pljevica (golozrni ječam) koji imaju viši sadržaj škroba, a manji sadržaj vlakana i pepela u zrnu u odnosu na ječam s pljevicama. Osobine golozrnog ječma su slične pšeničnom i kukuruznom zrnu te ga čine poželjnom sirovinom za proizvodnju biogoriva, ali i za prehranu ljudi i hranidbu stoke. Sadržaj škroba u golozrnom ječmu kreće se od 59 do 71 %.

Slama žitarica

Za proizvodnju etanola može se koristiti i slama strnih žitarica. Važan je kemijski sastav slame te su danas oplemenjivači svjesni da i to treba biti jedan od ciljeva oplemenjivanja. Jedan od načina proizvodnje etanola je korištenje mikroorganizama koji omogućavaju izravnu pretvorbu slame pšenice u celulozni etanol. Pogodnost slame za proizvodnju biogoriva ovisi o sadržaju celuloze, hemiceluloze i lignina. Visok sadržaj hemiceluloze i lignina u negativnoj je korelaciji s količinom proizvedenog etanola pomoću gljivice Fusarium oxysporum. U literaturi se navodi da se od jedne tone slame može dobiti 200 kg etanola.

Šećerna repa i šećerna trska

U vrijeme kada su visoke cijene zrna žitarica kao vrlo zanimljiva i poželjna sirovina za proizvodnju bioetanola pojavljuje se šećerna trska i šećerna repa, odnosno šećerni sirup. U prošloj godini je porasla proizvodnja bioetanola iz šećernog sirupa zbog veće količine šećera na tržištu, a istovremeno je došlo do poremećaja u cijeni žitarica. U 2013. godini oko 3.7% ukupne proizvodnje žitarica i 7,7% ukupne proizvodnje šećerne repe iskorišteno je za proizvodnju bioetanola. Radi se o proizvodnji od oko 5,190 milijuna litara bioetanola. Prednost korištenja šećernih usjeva u odnosu za žitarice pa i celulozne kulture je u tome što mogu direktno fermentirati. Budućnost korištenja šećernih usjeva za proizvodnju bioenergije ovisi o kompetitivnosti ovih kultura s drugim kulturama koje se koriste za ovu namjenu. Jeftina šećerna sirovina za dobivanje biogoriva trebala bi imati viskok sadržaj šećera, visok prinos mase, uzgajivači bi trebali ostvariti visok dohodak i imati male troškove proizvodnje. Dok je šećerna repa vrlo dobro poznata našim proizvođačima, o šećernoj trski se malo zna. Ne uzgaja se u Europi nego u tropskom i suptropskom području. To je višegodišnja trava koja u stabljici sadrži visoku količinu šećera. Ima brz porast i ostvaruje visoke prinose. Oko 70% šećera u svijetu dobiva se od šećerne trske. Etanol se dobiva iz melase koja se dobiva tijekom prerade šećerne trske. Od šećernog soka šećerne trske može se dobiti oko 8300 l etanola/ha. Ekonomičnost proizvodnje etanola iz šećerne trske povećava se ako se i celulozni ostaci iskoriste za ovu svrhu. Šećerna trska sadrži dva izvora vlakana za proizvodnju etanola. To su ostaci biljne mase na polju koji ostaju nakon sječe šećerne trske, a drugi izvor vlakana su ostaci nakon ekstrakcije šećernog soka.

Krumpir, batat i čičoka

Za proizvodnju bioetanola koristi se i krumpir. Krumpir može ostvariti proizvodnju od 1400 do 1600 l bioetanola po hektaru. Da bi se izbjegla konkurencija s proizvodnjom hrane, za proizvodnju bioetanola se mogu koristiti i sporedni proizvodi koji ostaju nakon prerade krumpira, a bogati su škrobom. Istraživanjima je utvrđeno da se od 44 000 tona otpada krumpira može proizvesti 4 do 5 milijuna litara etanola. Obećavajuća kultura za proizvodnju bioetanola je batat ili slatki krumpir (Ipomea batatas) čiji je korijen bogat škrobom. Ima visok prinos biomase, dobru otpornost na biotske stresove i dobru adaptabilnost. Novija istraživanja pokazala su da batat može dati 2 – 3 puta više etanola po jedinici površine nego kukuruz. Potencijal batata za proizvodnju bioetanola je 125 l/t, a kukuruza 360 l/t. S obzirom da batat ostvaruje prinose od 19,5 – 37,5 t/ha pa sve do 60 t/ha na pogodnim tlima uz prikladnu tehnologiju proizvodnje, potencijal je očit.

Čičoka

Čičoka (Helianthus tuberosus L.) višegodišnja je kultura koja se uzgaja radi gomolja u kojima se umjesto škroba nalazi 10 – 20 % inulina. Čičoka je poznata kao hrana za dijabetičare (kao zamjena za krumpir), ali ima potencijala za proizvodnju bioetanola i bioplina. Čičoka se može uzgajati u različitim agroekološkim uvjetima. Podnosi uzgoj na lošijim tlima, vrlo je otporna na niske temperature (do -300C), a osnovna prednost je što kad se jednom zasadi može ostati na istoj površini 4 – 5 godina. Za uzgoj čičoke nisu potrebne veće količine gnojiva, a kontrola korova je potrebna samo u prvoj godini uzgoja. Čičoka ostvaruje visoke prinose gomolja (15 – 30 t/ha), a prinos metana se kreće od 300 – 370 m3/t hlapljivih tvari. Nakon proizvodnje bioetanola ostaje mase za koju je utvrđeno da je dobra sirovina za dobivanje bioplina. Na taj način gomolji čičoke se mogu višestruko iskoristiti.

Uljarice za proizvodnju biodizela

Bilo koje ulje ili mast biljnog ili životinjskog porijekla može biti sirovina za proizvodnju biodizela. Međutim, problem predstavlja cijena tih sirovina. Glavna sirovina za dobivanje biodizela u SAD-u je sojino ulje, a u Europi je to ulje uljane repice. Ulje uljane repice čini 85% cjelokupne količine ulja za proizvodnju biodizela u svijetu. Uljana repica je najraširenija kultura u Europi za proizvodnju biogoriva, hrane i stočne hrane. Uljana repica ostvaruje visoke prinose ulja s visokim sadržajem celuloze te je po tim svojstvima trenutno prva opcija za proizvodnju biodizela. Trenutno se jedino ulje uljane repice može koristiti za tekuće biogorivo bez prethodnog tretmana. U Europskoj Uniji se više od 60% ulja uljane repice koristi za proizvodnju biodizela. Nakon uljane repice slijede ulje suncokreta, soje i palmino ulje. Prema European Biodisel Board u 2011. godini u Europskoj Uniji je proizvedeno 8,6 milijuna tona biodizela. Najveći proizvođač biodizela u Europi je Njemačka (2,8 milijuna tona). Oko 3 milijuna hektara obradivih površina u Europskoj Uniji danas je zasijano kulturama čija je namjena proizvodnja biodizela. Soja je jedna od glavnih kultura za proizvodnju biodizela. U Brazilu se od soje proizvede 80% od ukupnih količina biodizela, u Argentini 100%, u SAD-u 74%, a u Europskoj Uniji 16%. Za proizvodnju 1 l biodizela potrebno je oko 6 l ulja. S obzirom da je soja vrlo važan izvor bjelančevina i ulja koji se koriste u prehrani ljudi i u hranidbi stoke, trebalo bi koristiti druge sirovine za proizvodnju biodizela. Kao sirovina za proizvodnju biodizelamože se koristiti i reciklirano biljno ulje. Na taj način se smanjuje količina takvog ulja koja se ispušta u okolinu, odnosno to je način da se otpadno ulje pretvori u energiju. Istovremeno, ne dolazi do kompeticije s korištenjem ulja u prehrani ljudi. Problem kompeticije proizvodnje sirovina za dobivanje biodizela i za prehranu ljudi je i moralno pitanje.

Uljana repica i druge krstašice

Biljne vrste iz porodice krstašica (Brassicaceae) vrlo su pogodne za proizvodnju biodizela. Najznačajnija je uljana repica, ali da bi se izbjegla kolizija s proizvodnjom hrane, i druge vrste se mogu uzgajati za proizvodnju biodizela. To su Brassica rapa L., gorušica (B. juncea L.), etiopska gorušica (B. carinata L.), orijentalna gorušica (B. juncea L.), žuta gorušica (Sinapis alba L.), lanik (Camelina sativa L. Crantz) i dr. Sve one imaju potencijala za proizvodnju biodizela. Ulje se lako prerađuje u biodizel, a i kvalitativne analize su dale vrlo povoljne rezultate. Međutim, dok je prinos uljane repice znatno povećan, kod drugih vrsta iz ove porodice to nije slučaj. Nedostatak je i dosta visoka cijena sirovina i niži volumetrijski sadržaj energije. Neophodno je daljnjim istraživanjima i oplemenjivanjem stvoriti sorte koje će se moći uzgajati i na lošijim tlima s manjom količinom kvalitetne vode, te neće biti konkurencija proizvodnji hrane za ljude i stoku.

Lanik

Lanik ili podlanak (Camelina sativa L. Crantz) jednogodišnja je uljarica iz porodice Brassicacea koja se vrlo lako može uzgajati i u našim uvjetima za dobivanje biodizela. Sjeme podlanka sadrži 33-42% vrlo kvalitetnog ulja s više od 45% omega-3 masnih kiselina, te antioksidanse koji ovo ulje čine vrlo stabilnim i otpornim na visoke temperature i ranketljivost. Ulje se može koristiti ne samo kao izvor omega-3 masnih kiselina nego i kao vrlo zdravo ulje za kuhanje. Ulje se može koristiti i u kemijskoj industriji i kao začin. S obzirom da ima male zahtjeve prema agroekološkim uvjetima, podlanak se može uzgajati na marginalnim površinama, te ne predstavlja konkurenciju kulturama koje se koriste u prehrani ljudi. Ulaganja u proizvodnju su vrlo mala, te je vrlo isplativa kultura za proizvodnju biogoriva.

Jatropha

U nekim zemljama se zabranjuje korištenje jestivog ulja za proizvodnju biodizela. U tim zemljama (npr. Indija) uzgoj kultura od kojih se dobiva nejestivo ulje je način da se izbjegne kompeticija između proizvodnje biodizela i prehrane rastućeg stanovništva. Jedna od takvih kultura je jatropha (Jatropha curcas L.). Jatropha je višegodišnja tropska kultura koja spada u porodicu Euphorbiaceae. To je mekano drvo sa sukulentnim listovima. Prilagođena je uzgoju u semiaridnim tropskim uvjetima. Može se uzgajati na lošim i suhim tlima na kojima uzgoj drugih kultura ne donosi dobre rezultate. Ulje se nalazi u sjemenu (35 – 40%), toksično je i ne može se koristiti u prehrani ljudi i hranidbi stoke. Ulje jatrophe se može vrlo lako preraditi u biodizel koji zadovoljava američke i europske standarde. Procjenjuje se da je neto vrijednost energije iz jatrophe 236 GJ/ha/godini. To je ekvivalentno 7189 l biodizela/ha/godini. Međutim, proizvodnja jatrophe ima i nedostataka. Vrlo je varijabilan prinos sjemena, a ulje jatrophe ima visok sadržaj slobodnih masnih
kiselina što preradu u biodizel čini nešto skupljom. Bez obzira na to, jatropha je jedna od kultura koja ima potencijala i jednog dana može postati značajan izvor ulja za proizvodnju biodizela.

Konoplja za proizvodnju biogoriva

Biomasa konoplje može se koristiti za dobivanje bioetanola i biodizela jer ima povoljan kemijski sastav koji omogućava proizvodnju ovih vrsta biogoriva. Stabljika ima visok sadržaj celuloze, i manje lignina, što je čini pogodnom kulturom za ovu namjenu. Konoplja sadrži 55 % celuloze, 16 % hemiceluloze, 18 % pektina i 4 % lignina. Od biomase konoplje može se ostvariti proizvodnja od 413 kg bioetanola a iz sjemena može se dobiti biodizel na ekološki prihvatljiv i e fikasan način. Prinos ulja konoplje po hektaru je oko 240 l. Vrlo je visoka konverzija ulja u biodizel, ali zbog kinematičkog viskoziteta i niske točke zamućenja, zahtijeva hladne uvjete prerade. Konoplja ostvaruje vrlo visoke prinose biomase koja se može koristiti da dobivanje bioplina. Utvrđeno je da se može od biomase konoplje proizvesti oko 3000 m3 bioplina/ha. U području sjeverne Europe konoplja ima isti ili čak i veći energetski potencijal nego neke druge kulture (npr. kukuruz i šećerna repa). Konoplja se može dobro uklopiti u plodored, zahtijeva malo ili gotovo ništa pesticida, a s obzirom da vrlo dobro guši korove, smanjuje se potreba za primjenom herbicida i kod sljedeće kulture. Proizvodnja pesticida zahtijeva utrošak energije pa je svaka mogućnost smanjenja utroška energije dobrodošla. S obzirom na njene vrlo dobre energetske i agronomske karakteristike, konoplja bi trebala biti više zastupljena na ratarskim površinama. Osim toga, stvaranjem novih sorata konoplje većeg prinosa biomase, povećat ce se konkurentnost prema kukuruzu, šećernoj repi, pa i višegodišnjim kulturama za proizvodnju biogoriva.

Bioplin iz travnjaka

Travnjaci imaju važnu ulogu u globalnoj poljoprivredi i pokrivaju oko 3,4 milijarde ha, odnosno 69% svjetskih poljoprivrednih površina, ili 26% od ukupne površine Zemlje. Trenutno se uglavnom koriste u stočarstvu kao glavni izvor hrane za stoku.

U posljednjih 10–15 godina u Europi i Sjevernoj Americi znatno se povećalo zanimanje za travnjake u funkciji proizvodnje bioenergije. Utvrđeni su njihovi značajni potencijali u proizvodnji biomase i energije. Biomasa travnjaka pogodna je za mnoge načine proizvodnje energije. Trenutno se koristi kao sirovina za proizvodnju bioplina i krutih biogoriva za sagorijevanje. Budući putevi mogu uključivati proizvodnju lignoceluloznog bioetanola, sintetskih biogoriva ili sintetskog prirodnog plina. Svaki oblik energetskog korištenja zahtijeva specifične karakteristike biomase travnjaka, koje su vrlo promjenljive i ovise uglavnom o gospodarenju travnjacima. Stoga, naglasak leži u istraživanju prikladnosti biomase travnjaka za pojedine namjene i na strategijama za kontrolu osobina biomase. Drugi prioritet je ekološka i ekonomska održivost proizvodnje bioenergije s travnjaka. Ovaj dio pregleda se usredotočuje na proizvodnju bioplina, odnosno anaerobnu digestiju organske tvari za proizvodnju metana, koji se može pretvoriti u električnu energiju, toplinu i gorivo.

Utjecaj vrste trave na prinos metana

Obzirom da se biljne vrste mogu razlikovati u kemijskom sastavu, prinos metana s travnjaka može biti ovisan o smjesi biljnih vrsta, odnosno o botaničkom sastavu travnjaka. Prva usporedna istraživanja o prinosu bioplina od monokultura nekoliko vrsta trava potječu iz Švicarske. Pronađene su male razlike u prinosu bioplina između mačjeg repka, klupčaste oštrice i blješca. Prinosi bioplina su bili u rasponu od 490 do 540 litara po kg organske ST. Njemačka istraživanja uključivala su svježe i silirane uzorke osam vrsta trava. Prinosi metana svježih uzoraka bili su u rasponu od 554 do 641 litara po kg organske ST. Utvrđene su veće varijacije između svježih i siliranih uzoraka nego između vrsta trava. Specifični prinosi metana po jedinici površine različitih travnih vrsta imali su mnogo širi spektar variranja od 1.362 do 2.621 m3/ha. Dakle, specifični prinos metana po jedinici površine različitih travnih vrsta češće ovisi o prinosu biomase nego o specifičnom prinosu metana sirovine. Rezultati brojnih istraživanja dosljedno pokazuju da je utjecaj travne vrste na specifični prinos metana sirovine sporedan.

Vrijeme košnje

Vrijeme košnje je od velike važnosti za speci fični prinos metana sirovine. Dokazano je da se ovaj prinos smanjuju s odmicanjem zrelosti vegetacije. Uslijed starenja usjeva dolazi do povećanja sadržaja sirovih vlakana. To osobito ograničava maksimalni potencijal proizvodnje bioplina, jer se sirova vlakna uglavnom sastoje od hemiceluloze i lignina, komponenata teško razgradljivih u anaerobnim uvjetima. Osim toga, kasnom se košnjom dobiva manji postotak metana u proizvedenom bioplinu, zbog toga što trave sadrže manje sirovih bjelančevina i sirovih masti kao komponenata koje povećavaju sadržaj metana. Istraživanja na austrijskim alpskim travnjacima pokazuju da se speci fični prinosi metana sirovine smanjuju s odmicanjem zrelosti vegetacije. Tako, prinosi padaju sa 221-362 litre po kg organske ST tijekom vlatanja i prije pojave cvata na 171 litru po kg organske ST tijekom cvatnje (pojave prašnika) do konačno 153 litre po kg organske ST nakon cvatnje. Većina istraživanja dosljedno pokazuje smanjenje speci fičnog prinosa metana sirovine odgađanjem roka košnje u kasnije stadije razvoja vegetacije (od pojave cvata iz rukavca zadnjeg lista do cvatnje i dalje do formiranja sjemena).

Intenzitet agrotehnike

Intenzitet gospodarenja travnjakom uglavnom je karakteriziran učestalošću košnje i vrstom i razinom gnojidbe, ali i navodnjavanjem, nadosijavanjem itd. U austrijskim Alpama prinosi metana od ekstenzivno korištenih brdsko-planinskih travnjaka i intenzivno korištenih dolinskih travnjaka pokazuju značajne razlike. Viši specifični prinosi metana sirovine od biomase dolinskih travnjaka mogu se pripisati ranijim rokovima košnje. U kombinaciji s višim prinosima biomase, intenzivno gospodarenje dolinskim travnjacima daje 3-4 puta više metana po hektaru nego ekstenzivno korišteni planinski travnjaci pri istom broju otkosa tijekom godine. Prinos metana po jedinici površine raste s povećanjem broja otkosa. Uzorci sa intenzivnih švicarskih travnjaka (prvi otkos u lipnju) dali su prinose bioplina od 700-720 litara po kg organske ST, dok su oni s ekstenzivnih travnjaka (prvi otkos u kolovozu) dali samo 540-580 litara po kg organske ST. Prinosi metana iz istraživanja u južnoj Njemačkoj dosegli su 390 litara po kg organske ST na intenzivnim travnjacima (4 otkosa godišnje), 220 litara po kg organske ST na ekstenzivnim travnjacima (dva otkosa godišnje) i 80 litara po kg organske ST na travnjacima košenim jednom godišnje. Rezimirajući dostupne rezultate može se reći, da se prinosi metana, u pravilu, povećavaju kod agrotehnike većih intenziteta. Specifični prinosi metana sirovine rastu zbog ranijih rokova košnje, dok specifični prinosi metana po jedinici površine uglavnom rastu zbog povećanjaprinosa biomase.

Žetva i posliježetvena tehnologija

Tehnologija žetve, konzerviranja i skladištenja trava kao sirovine za anaerobnu digestiju slična je onoj za proizvodnju krme, uglavnom u obliku silaže, dijelom kao zelene mase. Nakon košnje, pokošena biomasa se može pokupiti s polja i izravno upotrijebiti za punjenje postrojenja za bioplin, ili se može u polju provenuti na 30-40% ST i pohraniti u različite vrste silosa. Tijekom žetve i skladištenje, uglavnom dva procesa imaju utjecaj na prinos metana: usitnjavanje i siliranje.

Usitnjavanje (sjeckanje)

U lancu pripreme travne mase kao sirovine za anaerobnu digestiju usitnjavanje može biti provedeno tijekom žetve i nakon izuzimanja iz silosa. Tijekom žetve, usitnjava se uređajima na strojevima za žetvu. Minimalna teoretska duljina sjeckanja može se podesiti na 2,5 mm za sječkalice, 20 mm za silokombajne i 39 mm za balirke. Osim čistog mehaničkog usitnjavanja, poznati su i drugi oblici fizikalnih, kemijskih ili bioloških predtretmana, što je dovelo ne samo do smanjenja veličine čestica, nego i do početka razaranja kemijske strukture, osobito ligno-celuloznog kompleksa. Predtretman travne mase nakon izuzimanja iz silosa jedva da se danas primjenjuje u praksi.

Siliranje

Obzirom da se travna masa akumulira sezonski, a bioplinska postrojenja se moraju puniti neprekidno, ostaje nam da sirovinu konzerviramo i tako je sačuvamo za kasnije korištenje. Najpoželjniji oblik konzerviranja je siliranje, jer se energija sirovine može sačuvati uz minimalne gubitke. Više parametara kao što su veličina čestica, korištenje aditiva i trajanje siliranja utječu na proces siliranja i kvalitetu silaže i izravno ili neizravno utječu na proces dobivanja biometana. Prvoklasna kvaliteta silaže se općenito smatra kao preduvjet za visoke prinose metana. Švicarski pokusi pokazuju značajno smanjenje prinosa bioplina zbog aerobnog kvarenja travne silaže. Odmah nakon otvaranja bala travne silaže prinos bioplina je bio 500 litara po kg organske ST, nakon pet dana 370 l i nakon 30 dana samo 250 litara po kg organske ST. Prinos bioplina travne silaže košene na kraju lipnja u Njemačkoj iznosio je 216 litara po kg organske ST za dobro konzerviranu silažu i 155 litara po kg organske ST za pokvarenu silažu. Aditivi kod siliranja mogu utjecati na prinos metana neizravno putem kvalitete silaže ili izravno pružanjem dodatne hrane za bakterije mliječne kiseline u vidu šećera, postizanjem bolje enzimatskerazgradivosti organske tvari ili inhibiranjem nepoželjnih ili potpomaganjem poželjnih mikroorganizama. Pokusi u Finskoj, s četiri vrste silažnih aditiva, rezultirali su višim prinosima metana nakon šest mjeseci skladištenja kod svih aditiva u odnosu na netretiranu travnu silažu. Najviši prinosi metana postignuti su dodavanjem mravlje kiseline, a potom mješavine bakterija mliječne i propionska kiseline, enzima i mješovite kulture bakterija iz bioplinskog postrojenja. Drugi pokusi iz Finske pokazuju različite učinke aditiva na prinose metana od silaža travnih smjesa i engleskog ljulja, no, zaključak je da je utjecaj aditiva bio zanemariv. Uspoređujući dodatne troškove primjene aditiva i dodatne prihode od prinosa metana u najboljem se slučaju može postići profitabilnost kod primjene aditiva u pripremi travne silaže. Sažimajući dosadašnja znanja o siliranju trave kao sirovine za anaerobnu digestiju primjerena kontrola procesa igra ključnu ulogu u očuvanju sadržaja energije. Pod kvalitetnim uvjetima siliranja prinos metana se može čuvati za mnoge mjesece, dok se u lošijim uvjetima skladištenja silaže više od polovice prinosa metana može izgubiti.

Tehnologija anaerobne digestije

U praksi se trava obično digestira zajedno s gnojovkom i drugim sirovinama iz poljoprivrede korištenjem uobičajene tehnologije anaerobne digestije bez posebnih prilagodbi. Međutim, operateri bioplinskih postrojenja su ukazali na nekoliko problema vezanih uz travnu masu. Travna masa pluta na površini tekućine u digestoru, što dovodi do povećanja troškova miješanja. Namatanje duže sjeckanih čestica trave oko rotirajućih uređaja može uzrokovati kvarove u radu bioplinskog postrojenja, a povećava se i abrazija. Travna sirovina često je kontaminirana česticama tla što zahtijevaju češće uklanjanje sedimenta iz digestora. Rješenja se mogu sastojati u pojačanom usitnjavanju, hidrauličnom ili pneumatskom umjesto mehaničkom miješanju.

Pro fitabilnost

Profitabilnost općenito ovisi o odnosu troškova i prihoda. U konkretnom slučaju proizvodnje bioplina iz trave, troškovi proizlaze iz dobavljanja sirovine i pretvaranja u energiju, dok prihodi proizilaze iz prodaje biomase ili energije i eventualnog prihoda od korištenja zemljišta. Ekonomska računica dostupna je prije svega iz Njemačke, gdje zakonodavstvo promiče bioenergiju općenito, posebice bioplin, i gdje je travna masa česta sirovina digestora na farmama. Troškovi pribavljanja sirovine obuhvaćaju troškove agrotehnike na travnjacima (gnojidba, nadosijavanje, mehanička obrada, navodnjavanje), troškove žetve (košnja, provenjavanje, skupljanje, transport), troškove skladištenja i manipulacije (spremanje u silose i zbijanje, skladištenje, izuzimanje iz silosa, punjenje bioplinskog postrojenja), te opće troškove (porezi, osiguranja, itd.). Troškovi dobivanja travne silaže uglavnom ovise o prinosima, intenzitetu agrotehnike, transportnoj udaljenosti i terenskim uvjetima za uporabu strojeva (veličina polja, mogućnost transporta, nagib itd.). Prema tome troškovi proizvodnje variraju u širokom rasponu i procjenjuju se na 37-41 € po toni ST za intenzivnu agrotehniku na travnjaku s gnojidbom, nadosijavanjem i 3-4 otkosa godišnje ili na 31-39 € t-1 ST za ekstenzivne livade s jednim kasnim otkosom godišnje. Troškovi konverzije (pretvaranja u plin) obuhvaćaju fiksne i varijabilne troškove za bioplinsko postrojenje, troškove rada, te opće troškove. Oni uglavnom ovise o veličini i tehničkom dizajnu postrojenja. Troškovi dobivanja električne energije iz travne sirovine iznose od 14,8-17,08 centi kWh-1 energije, dok se troškovi smanjuju povećanjem veličine biopostrojenja. Dohodak od prodaje konačnog proizvoda električne energije, topline ili plina, i od poticaja vezanih za travnjake, odnosno subvencije za korištenje zemljišta i plaćanja za konzervaciju tla ovise o sirovinama, veličini postrojenja i tehnologiji ulazne cijene pri korištenju trave kao sirovine i računa se na 10,27-21,33 centi kWh-1 energije. Nabavna cijena za toplinu se procjenjuje na 2-4 centa kWh-1. Nekoliko plaćanja za korištenje zemljišta, uključujući i EU jednokratna plaćanja i potpore za ruralni razvoj, kao i posebne financijske potpore za konzervacijske mjere, možemo zbrojiti na 212-400 eura/ha.

Konkurentnost

Biomasa s travnjaka konkurira drugim sirovinama za proces anaerobne digestije. Među načinima korištenja travne biomase bioplin se natječe s drugim oblicima uporabe kao što su tradicionalni i prevladavajući način korištenja – za stočnu hranu, drugim energetskim i materijalnim korištenjima. Obzirom na korištenje travne mase kao bioenergetske sirovine profitabilnost trave je podređena kukuruzu. Tvrdi se da bioenergija istiskuje izvorni tip korištenja travnjaka za stočarstvo kao i da na taj način doprinosi nedostatku hrane za rastuću svjetsku populaciju s rastućim zahtjevima za bolju prehranu. U razvijenim zemljama broj preživača je u stalnom opadanju tijekom posljednja tri desetljeća dok proizvodnja mlijeka i mesa raste. Povećane performanse životinja, promijenjeni sastav prehrane (obrok) s višim postotkom koncentrata i intenziviranje proizvodnje na travnjacima, dovode do situacije da je sve manje i manje travnjaka potrebno za rastuću proizvodnju. U istom razdoblju nacionalni zahtjev za proizvodima od preživača su u padu. Očekuje se nastavak smanjenja važnosti stočarske proizvodnje. Izveden iz statistike poljoprivrede kao i u stvarnosti, višak travnjaka već postoji u mnogim razvijenim zemljama. Proizvodnja biomase za dobivanje energije smatra se jednim od načina zadržavanja ovih travnjaka u uporabi. Za EU-27 višak travnjaka u 2020. procjenjuje se na 9,2-14,9 milijuna ha, tj. 13-22 % permanentnih travnjaka. Dakle, travnjaci mogu pridonijeti udjelu od 16-19% potencijala energetskih usjeva i 6-7 % ukupnog bioenergetskog potencijala, bez zauzimanja površina koje se koriste za prehranu životinja. U zemaljama u razvoju i nastajanjuzahtijevi za proizvodnjom mlijeka i mesa rapidno rastu. Ti trendovi izazivaju veći pritisak na travnjake, što dijelom rezultira pretvaranjem permanentnih (trajnih) travnjaka u privremene travnjake ili u oranice, te u intenziviranje, prekomjerno iskorištavanje i degradaciju. Cilj je povećati proizvodnju i kvalitetu iz smanjene površine travnjaka korištenjem održivih sustava. S obzirom na važeće konstelacije u zemljama u razvoju korištenje travnjaka za stočnu hranu bit će još uvijek ispred korištenja za bioenergiju. Interes u korištenju biomase za travnjaka u obliku čvrstih biogoriva u Europi, Sj. Americi i Aziji je u porastu u posljednja dva desetljeća. Fokus je na višegodišnjim energetskim travama, kao što su: kineski šaš (Miscanthus sp.), blještac (Phalaris arundinacea) ili divovska trska (Arundo donax).