BASF
BASF
BASF

AGRA

Vliv organizace porostu silážní kukuřice na produkci bioplynu

13. 09. 2018 Ing. Pavel Fuksa, Ph.D.; Česká zemědělská univerzita v Praze Technologie pěstování Zobrazeno 4937x

Silážní kukuřice je v současné době nejvýznamnější cíleně pěstovanou plodinou pro produkci bioplynu. Její předností je značný výnosový potenciál, vysoká výtěžnost bioplynu z 1 kg sušiny a snadná konzervovatelnost umožňující kontinuální využití hmoty v bioplynových stanicích. Celková produkce bioplynu získaná z jednotky plochy závisí na výnosu biomasy a substrátové produkci bioplynu. Prostorové uspořádání porostu, tj. kombinace různých výsevků a meziřádkových vzdáleností, společně s výrazným efektem ročníku ovlivňují nezanedbatelným způsobem celkový výnos sušiny. Z hlediska substrátové produkce bioplynu je palice nejhodnotnější částí rostliny kukuřice, což se promítá i do celkové produkce bioplynu.

Varistar

logo

Anaerobní fermentace organické hmoty

Bioplyn lze získávat v procesu anaerobní metanové fermentace z mnoha druhů biomasy, tj. jak z cíleně pěstovaných plodin, tak z odpadní biomasy, která zahrnuje rostlinné zbytky ze zemědělské výroby a údržby krajiny, exkrementy a odpady z živočišné výroby, komunální a další odpady. Podle převažujícího substrátu a použitých technologií existuje řada typů zařízení na výrobu bioplynu.

Podle obsahu sušiny vstupního materiálu lze rozlišit procesy založené na suché fermentaci (zpracování biomasy s obsahem sušiny 20–50 %) a mokré fermentaci (obsah sušiny do 14 %), která je běžnější.

S obsahem sušiny vstupního materiálu souvisí i způsob dávkování a doba zdržení materiálu ve fermentoru. Nejpoužívanější je semikontinuální systém plnění, při kterém se tekutý materiál do fermentoru dávkuje několikrát denně. Diskontinuální systém se uplatňuje při suché fermentaci, naopak kontinuální se používá při zpracování tekutých organických materiálů s velmi nízkým obsahem sušiny.

Podle zpracovávaného materiálu lze bioplynové stanice členit na zemědělské, průmyslové (zpracovávající např. kaly z čističek odpadních vod) a komunální (např. na bioodpady z údržby městské zeleně).

Anaerobní fermentace (biometanizace, anaerobní digesce, metanová fermentace, metanové kvašení, biogasifikace a další názvy) je komplexní proces, při kterém dochází mikrobiální činností k postupnému rozkladu organické hmoty na směs plynů (bioplyn) a fermentovaný zbytek organické hmoty (digestát).

Bioplyn je složen z metanu (ideálně nad 50 %; tj. 50–70 %) a oxidu uhličitého (cca 25–50 %), který je druhým dominantním plynem. Součet obsahu CH4 a CO2 se v ideálním případě blíží 100 %. Obvykle jsou však v bioplynu přítomny příměsi dalších plynů, které signalizují přítomnost některých chemických prvků ve vstupním materiálu nebo vznikají v důsledku narušení procesu fermentace (např. N2, O2 a Ar značí zbytky vzdušných plynů, resp. zavzdušňování pracovního procesu; H2, NH3 a nadbytek CO2 jsou známkou porušení rovnováhy mezi jednotlivými stupni rozkladu hmoty; H2S pochází z rozkladu bílkovin a vyskytuje se více při zpracování kejdy prasat a drůbeže). V bioplynu je přítomna i vodní pára, kterou je nutné společně s amoniakem a sulfanem odstranit z důvodu ochrany vedení plynu a spalovacího motoru před korozí. Hodnota výhřevnosti bioplynu je dána obsahem metanu; ostatní složky mají zanedbatelný význam.

Digestát, tj. nerozložený zbytek po anaerobní fermentaci, se obvykle využívá jako tekuté organické hnojivo, které je svým použitím srovnatelné s kejdou. Alternativně lze z digestátu oddělit tuhou frakci - separát, jež lze následně kompostovat, využít jako podestýlku či sušit a spalovat. Tekutý zbytek - fugát, se obvykle aplikuje na ornou půdu nebo trvalé travní porosty, příp. se dle technologie vrací do fermentačního procesu bioplynové stanice.

Substrátová a celková produkce bioplynu

Celková produkce bioplynu z jednotky plochy (m3/ha) závisí jednak na substrátové produkci bioplynu, která udává, kolik litrů bioplynu lze získat z 1 kg sušiny, a dále na celkovém výnosu sušiny (t/ha). V laboratorních podmínkách bylo prokázáno, že jednotlivé organické látky se diametrálně odlišují ve specifické produkci bioplynu (resp. metanu). Největší objem CH4 lze získat z tuků (přes 1000 l/kg), méně pak z bílkovin (okolo 500 l/kg) a cukrů (v průměru cca 400 l/kg). Dle řady studií tento teoretický výtěžek ne vždy zcela koresponduje s množstvím metanu získaného z různých plodin. Např. ze slunečnice s vysokým obsahem oleje byla hodnota substrátové produkce metanu nižší než z biomasy silážní kukuřice.

Využití kukuřice pro produkci bioplynu

V zemědělských bioplynových stanicích se nejčastěji zpracovává kejda a plodiny k energetickému využití cíleně pěstované, ze kterých má největší zastoupení silážní kukuřice. Důvody, proč je kukuřice pro anaerobní fermentaci nejvyužívanější, spočívají ve vysokém výnosovém potenciálu této plodiny, příznivých kvalitativních charakteristikách a možnosti konzervace hmoty silážováním.

Vysoká produkce biomasy kukuřice vyplývá z účinnějšího typu fotosyntézy C4, která probíhá intenzivně zejména za vyšších denních teplot. Současně kukuřice velmi dobře hospodaří s vodou, neboť se vyznačuje nízkou hodnotou transpiračního koeficientu, který udává, jaké množství vody je potřebné na vytvoření 1 g sušiny. Vysoký výnos kukuřice dále souvisí i s pěstováním hybridních odrůd, u kterých rostliny, vyšlechtěné za pomoci heterózního efektu, překonávají výškou a hmotností rodičovské linie. V neposlední řadě lze výnosy pozitivně ovlivnit i intenzitou agrotechnických opatření, a to zejména úrovní hnojení.

Vysoká kvalita biomasy kukuřice z pohledu anaerobní fermentace spočívá ve vysokém obsahu energie a dobré rozložitelnosti hmoty, což se promítá do vysoké hodnoty substrátové produkce bioplynu. Rostlina kukuřice je charakteristická tím, že se skládá ze dvou kvalitativně výrazně odlišných částí - palice a zbytku rostliny. Hmotnostní podíl palic na rostlině je výrazně vázán na konkrétní hybrid, ale nepříznivé podmínky prostředí jej mohou negativně ovlivnit. Rané hybridy s kratší vegetační dobou se vyznačují vyšším podílem palic ke zbytku rostliny (i přes 60 %; vyjádřeno v sušině), ale celkový výnosový potenciál rostlin je oproti pozdnějším hybridům nižší. Naopak pozdní hybridy mohou dosahovat v teplotně a půdně příznivých podmínkách výrazně vyšších výnosů, obvykle však s nižším podílem palic. Z hlediska anaerobní fermentace je palice nejhodnotnější částí, neboť je tvořena převážně zrnem, které díky vysokému obsahu zcela rozložitelného škrobu poskytuje nejvyšší výtěžnost bioplynu.

Za povšimnutí stojí porovnání substrátové produkce metanu stanovené u kukuřice v průběhu vegetace, kdy nebyly zaznamenány výrazné rozdíly ve výtěžnosti metanu ve vzorcích biomasy odebraných v různých fázích růstu rostlin. Mladší rostliny obsahují více jednoduchých cukrů a bílkovin a téměř žádný škrob a rozložitelnost hmoty je velmi vysoká. Při procesu dozrávání postupně narůstá obsah škrobu a současně se snižuje obsah vodorozpustných sacharidů a bílkovin. Obsah tuků, který je v kukuřici nevýznamný, se mírně zvyšuje. Ve zbytku rostliny, tj. ve stéblech a listech, narůstá obsah vlákniny (celulózy, hemicelulózy a především téměř nedegradovatelného ligninu), avšak v průměru za celou rostlinu, díky nárůstu podílu palic (resp. škrobu), se celkový podíl vlákniny relativně snižuje.

Rané a polorané hybridy se z pohledu celkové produkce bioplynu z jednoho hektaru doporučuje sklízet v mléčně-voskové zralosti. Pozdní hybridy lze za příznivých klimatických podmínek sklízet i později, neboť pokles substrátové produkce bioplynu v důsledku klesající kvality biomasy je více než dostatečně kompenzován nárůstem výnosu biomasy. Z vědeckých publikací také vyplývá, že existují rozdíly v substrátové produkci bioplynu mezi různými hybridy. Vzhledem ke komplexnosti problematiky ale nebyly dosud jednoznačně identifikovány všechny proměnné, které za rozdíly ve výtěžnosti bioplynu mezi hybridy stojí. Uvedenou problematiku lze shrnout tak, že kromě termínu sklizně a pěstovaného hybridu, závisí celková produkce bioplynu z jednoho hektaru především na celkovém výnosu sušiny.

Snadná silážovatelnost kukuřičné biomasy a možnost využití silážní hmoty pro zásobení bioplynové stanice v průběhu celého roku je známý fakt. Proces silážování zvyšuje výtěžnost metanu oproti čerstvé hmotě až o 25 %, a to z důvodu, že během silážování se vytváří kyselina mléčná, octová a mravenčí a alkoholy, které jsou prekurzory tvorby metanu. Dalším důvodem může být i částečné narušení vlákniny, které zlepšuje dostupnost živin pro metanogenní bakterie. Předností technologie výroby kukuřičné siláže je také možnost rozřezání hmoty již při sklizni na velmi drobné části, neboť platí, že čím kratší je řezanka, tím větší je povrch jednotlivých částic, a tím lepší je rozložitelnost organické hmoty ve fermentoru. Dle různých studií přináší zkrácení řezanky zvýšení výtěžnosti bioplynu až o 10 %.

Ideotyp rostliny kukuřice pro anaerobní fermentaci

Podobně jako pro krmné účely i pro uplatnění kukuřice k produkci bioplynu je cílem šlechtitelů rostlina s optimální skladbou všech kvalitativně a výnosově významných znaků. V současné době existují dvě částečně rozdílné šlechtitelské strategie, které se odlišují zejména v pohledu na význam škrobu, resp. podíl palice ke zbytku rostliny.

První postup se orientuje na maximální výnos hmoty a z velké části zanedbává podíl palice na výnosu. Zvýšení odolnosti vysokých rostlin vůči poléhání však vyžaduje vyšší podíl lignocelulózového komplexu, který může negativně ovlivnit rozložitelnost hmoty.

Druhý přístup je zaměřen na vyšší obsah škrobu a bere v úvahu i stravitelnost zbytku rostliny. Tento postup se tedy výrazně neliší od šlechtitelských cílů pro hybridy ke krmnému využití.

Mezi další postupy patří zvýšení současných nízkých obsahů tuků a bílkovin kvůli jejich vyšším specifickým výtěžkům metanu ve srovnání se sacharidy.

Vliv výsevku a meziřádkové vzdálenosti na výnos a kvalitu kukuřice

Výnos kukuřice je určen počtem rostlin z jednotky plochy a hmotností jednotlivých rostlin. Hmotnost rostlin vychází z výnosového potenciálu konkrétního hybridu a je dále ovlivňována úrovní hnojení, půdními, teplotními a vláhovými podmínkami, vzájemnou konkurencí mezi rostlinami, zaplevelením atd.

Stanovení optimálního výsevku se odvíjí od konkrétních podmínek prostředí, intenzity pěstování a zejména od ranosti vybraného hybridu. Současný způsob pěstování kukuřice je založen na relativně vysoké hustotě rostlin. Pro velmi rané a rané hybridy silážní kukuřice (FAO 240 a méně) se obvykle doporučuje hustota porostu při sklizni okolo 90 000 a více rostlin/ha, pro středně rané až středně pozdní od 80 000 do 90 000 rostlin/ha a pro pozdní hybridy (FAO 350 a více) do 80 000 rostlin/ha. Pro bioplynové účely se doporučují spíše výsevky na horní hranici rozpětí, které jsou uváděny producenty osiva u konkrétních hybridů. Podobně bývají doporučovány o něco pozdnější hybridy (max. o 50 čísel FAO), než které jsou v dané oblasti běžně pěstovány pro krmné účely.

Obecně lze odezvu výnosu na narůstající počet rostlin popsat parabolickou funkcí. Při velmi nízkém výchozím počtu rostlin na jednotce plochy si rostliny vzájemně nekonkurují a jejich hmotnost je maximální, ale celkový výnos sušiny je nízký. Navyšování počtu rostlin vede k nárůstu výnosu biomasy, ale z důvodu vyšší konkurence o sluneční záření, vodu a živiny začíná klesat hmotnost jednotlivých rostlin. Po dosažení vrcholu výnosové křivky následuje při dalším zvyšování hustoty rostlin pokles výnosu, a to z důvodu rapidního snížení hmotnosti jednotlivých rostlin. Současně při velmi vysokých hustotách se může snižovat i podíl palic na rostlině (dochází ke snížení počtu zrn a jejich hmotnosti), a to v důsledku horšího opylení vlivem asynchronie tvorby pylu a objevování blizen. Negativně zde působí jak vyšší zastínění porostu, tak nedostatek vody. Tento problém se zvýrazňuje zejména v letech s nedostatečným množstvím či nepříznivým rozložením srážek v období vegetace.

Nižší podíl palic na rostlině se nepříznivě odráží na kvalitě silážní hmoty. Klesá podíl škrobu a bílkovin a naopak narůstá obsah NDF a ADF, což se manifestuje i horší rozložitelností biomasy. Tento stav je z pohledu substrátové produkce bioplynu nepříznivý. Z hlediska celkové produkce bioplynu z jednotky plochy je pak podstatné, nakolik případný vyšší výnos biomasy při vyšších výsevcích kompenzuje pokles podílu palic.

Vnitrodruhovou konkurenci rostlin kukuřice o zdroje lze snížit rovnoměrnějším uspořádáním porostu. Zmenšení meziřádkové vzdálenosti vede ke zvýšení vzdálenosti mezi rostlinami, které tak mohou lépe využít zejména sluneční záření, ale i vodu a živiny. U alternativních meziřádkových vzdáleností (35; 37,5; 45; 50 cm, příp. uspořádání ve dvojřádcích) se obvykle přistupuje i k navýšení výsevku o cca 10 %. Z přehledu literatury i z vlastních výsledků je zřejmé, že u užších řádků je potenciál k dosahování vyšších výnosů. Odezva rostlin na alternativní uspořádání porostu je však výrazně závislá na průběhu klimatických podmínek v průběhu vegetace a projevuje se pozitivně zejména při dostatku a příznivém rozložení srážek. Různé prostorové uspořádání porostu obvykle nemá výrazný vliv na kvalitu biomasy kukuřice.

Obr. 1: Stanovení substrátové produkce bioplynu pomocí laboratorních batch testů
Obr. 1: Stanovení substrátové produkce bioplynu pomocí laboratorních batch testů

Obr. 2: Palice poskytuje vyšší výtěžnost bioplynu než zbytek rostliny
Obr. 2: Palice poskytuje vyšší výtěžnost bioplynu než zbytek rostliny

Výsledky polních a laboratorních pokusů

Cílem tohoto příspěvku je také prezentovat výsledky týkající se vlivu různých výsevků silážní kukuřice pěstované při odlišných meziřádkových vzdálenostech na substrátovou a celkovou produkci bioplynu. Polní pokusy byly založeny na experimentálním pozemku České zemědělské univerzity v Praze v letech 2014 a 2015. Testovány byly tři výsevky (90 000, 110 000 a 130 000 rostlin/ha) ve dvou meziřádkových vzdálenostech (70 cm a 35 cm). V pokusech byl použit středně raný hybrid Koblens (FAO 280).

Z tabulky 1 je patrný výrazný vliv ročníku na všechny prezentované ukazatele. Nedostatek a nerovnoměrné rozložení srážek v roce 2015 negativně ovlivnilo hmotnost jednotlivých rostlin, podíl palic na rostlině i celkový výnos biomasy. V průměru za oba sledované roky mělo navýšení výsevku průkazný vliv především na pokles hmotnosti jednotlivých rostlin a negativně se projevilo i na podílu palic. U nejvyššího výsevku je dále patrný pokles obsahu sušiny palic i celých rostlin. V předchozí části textu podrobněji popsaný vztah mezi navyšováním výsevku a poklesem hmotnosti rostlin se v našem experimentu projevil mírným navýšením celkového výnosu biomasy při 110 000 i při 130 000 rostlin/m. Přestože efekt meziřádkové vzdálenosti nebyl statisticky významný, tak u užších řádků je patrná tendence k vyššímu výnosu. Z podrobného statistického hodnocení dále vyplynulo, že u žádného sledovaného parametru nebyla zjištěna průkazná interakce výsevku a meziřádkové vzdálenosti.

Výtěžnost bioplynu ze vzorků biomasy silážní kukuřice byla stanovena pomocí laboratorních jednorázových anaerobních batch testů. Testy byly realizovány ve skleněných lahvích o objemu 120 ml, do nichž bylo nadávkováno 0,7 g suchého rostlinného materiálu spolu s 30 g inokula (aktivní anaerobní organický substrát z bioplynové stanice) a na závěr bylo přidáno 80 g demineralizované vody. Lahve byly umístěny do termo-komory temperované na 40 ± 1 °C. Produkce bioplynu byla průběžně stanovována metodou objemového měření pomocí plynoměrné byrety (obr. 1). Tato metoda je založena na principu stanovení objemu kapaliny plynem vytlačené. Po odečtení výtěžnosti bioplynu ze samotného inokula od sledovaných vzorků s biomasou byla získána čistá substrátová výtěžnost bioplynu z kukuřice (ml/g). Celková produkce bioplynu (m3/ha) byla stanovena jako součin průměrné hodnoty substrátové produkce bioplynu a výnosu sušiny silážní kukuřice sledovaných variant.

Substrátová i celková produkce bioplynu byly, podobně jako výnosové charakteristiky kukuřice, výrazně ovlivněny ročníkem (tab. 2). Vyšší hodnotu substrátové produkce bioplynu v prvním sledovaném roce lze vysvětlit zejména vyšším podílem palic na rostlině a příznivější sušinou z hlediska rozkladu organické hmoty. Na celkovou produkci bioplynu v prvním hodnoceném roce, pak kromě vyšší substrátové produkce, měl vliv především vyšší výnos biomasy kukuřice stanovený v roce 2014. Odlišné meziřádkové vzdálenosti ani výsevky neměly na substrátovou produkci vliv. Vyšší celková produkce bioplynu byla, v souladu s vyššími výnosy hmoty, zjištěna u užších řádků a při vyšších výsevcích, ale rozdíly nejsou v absolutních hodnotách výrazné. Statisticky průkazně vyšší výtěžnost bioplynu z palic oproti zbytku rostliny dokládá graf 1. Z grafu 2 je pak zřejmé, jakou částí se na celkové produkci bioplynu podílí palice a zbytek rostliny.

Graf 1: Substrátová produkce bioplynu (ml/g) ze silážní kukuřice v závislosti na části rostliny (Praha-Suchdol, průměr let 2014–15)
Graf 1: Substrátová produkce bioplynu (ml/g) ze silážní kukuřice v závislosti na části rostliny (Praha-Suchdol, průměr let 2014–15)

Graf 2: Podíl palice a zbytku rostliny na celkové produkci bioplynu (m3/ha) ze silážní kukuřice (Praha-Suchdol, průměr let 2014–15)
Graf 2: Podíl palice a zbytku rostliny na celkové produkci bioplynu (m3/ha) ze silážní kukuřice (Praha-Suchdol, průměr let 2014–15)

Tab. 1: Výnosové parametry silážní kukuřice v závislosti na meziřádkové vzdálenosti a výsevku (Praha-Suchdol, 2014–2015)

Sledovaný faktor

Výnos

sušiny

(t/ha)

Obsah sušiny

(%)

Podíl palic

(%)

Sušina palic

(%)

Hmotnost

rostlin

(g)

Rok 2014

21,1a

32,9a

63,1a

43,0a

183,1a

Rok 2015

14,7b

40,7b

57,8b

51,7b

144,0b

Meziřádková vzdálenost 0,70 m

18,1

37,1

60,8

48,2

164,8

Meziřádková vzdálenost 0,35m

18,6

37,3

60,9

47,8

165,0

Výsevek 90 000 rostlin/ha

17,6

37,3

62,2a

48,6a

189,6a

Výsevek 110 000 rostlin/ha

18,2

37,1

60,0ab

47,2ab

164,8b

Výsevek 130 000 rostlin/ha

18,0

35,9

59,1b

46,4b

136,2c

Pozn.: rozdílné indexy (a, b, c) vyjadřují statisticky průkazné rozdíly mezi průměry (ANOVA, Tukey HSD test, α = 0,05)

Tab. 2: Produkce bioplynu ze silážní kukuřice v závislosti na meziřádkové vzdálenosti a výsevku (Praha-Suchdol, 2014– 015)

Sledovaný faktor

Substrátová produkce bioplynu

(ml/g)

Celková produkce bioplynu

(m3/ha)

Rok 2014

737a

15 377a

Rok 2015

680b

10 082b

Meziřádková vzdálenost 0,70 m

711

12 550

Meziřádková vzdálenost 0,35 m

707

12 909

Výsevek 90 000 rostlin/ha

707

12 327

Výsevek 110 000 rostlin/ha

710

12 962

Výsevek 130 000 rostlin/ha

708

12 899

Pozn.: rozdílné indexy (a, b) vyjadřují statisticky průkazné rozdíly mezi průměry (ANOVA, Tukey HSD test, α = 0,05)

Závěr

Z prezentovaných výsledků vyplývá, že celková produkce bioplynu (m3/ha) závisí především na celkovém výnosu sušiny silážní kukuřice, ale významný vliv má i podíl palice na rostlině. Alternativní způsob založení porostu v užších řádcích (35 cm vs. 70 cm) se projevil tendencí k vyššímu výnosu sušiny i celkové produkci bioplynu. Obdobně byla vyšší produkce bioplynu (cca o 5 %) zaznamenána při výsevku 110 000 rostlin/ha oproti výsevku 90 000 rostlin/ha, ale navýšení výsevku na 130 000 rostlin/ha další pozitivní efekt nepřineslo.

Současně je nutné zmínit i výrazný vliv ročníku na všechny sledované výnosové ukazatele. Z výsledků je dále patrný podstatný význam palice na celkové produkci bioplynu z důvodu nadpolovičního podílu této části na celkovém výnosu sušiny a současně výrazně vyšší výtěžnosti bioplynu z této rostlinné části.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

Práce byla řešena na FAPPZ ČZU v Praze za podpory S-grantu MŠMT ČR a SGS projektu číslo 21240/1312/3157. Poděkování náleží firmě KWS Osiva s.r.o. za poskytnutí osiva a Ing. Pavlu Míchalovi z ČZU v Praze za realizaci laboratorních pokusů.logo mz

Článek byl uveřejněn za podpory Ministerstva zemědělství při České technologické platformě pro zemědělství.


Související články

Pěstování ředkve olejné

26. 02. 2024 Ing. Zuzana Kubíková, Ph.D., Ing. Julie Sobotková, Mgr. Helena Hutyrová Technologie pěstování Zobrazeno 350x

Optimalizace pozemkových bloků s ohledem na půdní charakteristiku a provozní parametry strojů

31. 01. 2024 Prof. Ing. Josef Hůla, CSc., Doc. Ing. Petr Šařec, Ph.D., Doc. Ing. Petr Novák, Ph.D.; Česká zemědělská univerzita v Praze Technologie pěstování Zobrazeno 587x

Pěstování minoritních olejnin: Pupalka dvouletá

26. 01. 2024 Ing. Zuzana Kubíková, Ph.D.; Výzkumný ústav pícninářský, spol. s r. o. Troubsko Technologie pěstování Zobrazeno 524x

Agrolesnictví v dějinách - máme na co navázat

09. 01. 2024 Mgr. Péter Szabó, Ph.D.; Botanický ústav AV ČR, Brno; Masarykova univerzita, Brno Technologie pěstování Zobrazeno 502x

Netradiční druhy pícnin k produkci bioplynu

13. 11. 2023 Ing. Antonín Kintl a kol. Technologie pěstování Zobrazeno 957x

Další články v kategorii Technologie pěstování

detail