Wprowadzenie
Konwersja biomasy na biopaliwa zyskała zainteresowanie ze względu na rosnące zapotrzebowanie na źródła energii zrównoważonej i ekologicznej. Tradycyjnie biopaliwa były produkowane z roślin bogatych w skrobię lub cukier, takich jak kukurydza, pszenica, buraki cukrowe i trzcina cukrowa. Jednakże, to powoduje konkurencję między produkcją żywności a energii. Dlatego istnieje potrzeba dedykowanych roślin energetycznych, zwłaszcza tych, gdzie cała roślina może być używana do produkcji energii, co może prowadzić do potencjalnie wyższej efektywności wykorzystania ziemi. Ponadto, jeśli takie rośliny mogą być wkomponowane w system zmianowania upraw z roślinami spożywczymi i paszowymi, efektywność wykorzystania ziemi może być dalej zwiększona. Rośliny energetyczne prognozowane są, że odegrają istotną rolę w przyszłości bioenergii z uwagi na ograniczony dostęp do biomasy z produkcji leśnej oraz brak akceptowalnych strumieni "odpadów".
Roślina Konopi
Konopie przemysłowe (Cannabis sativa L.) są jednymi z najstarszych roślin na świecie, tradycyjnie uprawianymi ze względu na ich włókna. Włókno konopne było głównym materiałem do produkcji lin morskich i żagli, szeroko stosowanym jako surowiec do wyrobów sznurków i tekstyliów. Jednakże, jego produkcja spadła w połowie XIX wieku z powodu zaniku floty żaglowej, konkurencji ze strony naturalnych włókien, takich jak bawełna i juta, a później ze względu na intensywny rozwój włókien syntetycznych.
W latach 30. uprawa została zakazana w większości krajów zachodnich i w Ameryce Północnej ze względu na genetyczne podobieństwo do marihuany, co wywołało wiele zamieszania i kontrowersji społecznych, politycznych i moralnych. Lata 90. to okres odrodzenia uprawy konopi z powodów rolniczych, przemysłowych i naukowych na całym świecie, głównie ze względu na zwiększoną uwagę na zasoby naturalne, oszczędzanie energii oraz przekształcanie biomasy na bioprodukty i biopaliwa.
Od 1992 roku Francja, Holandia, Anglia, Hiszpania i Niemcy uchwaliły ustawy umożliwiające komercyjną uprawę konopi przemysłowych. Dwa lata później Kanada poszła śladem UE, ustanawiając przepisy umożliwiające uprawę konopi. Powierzchnia przeznaczona pod uprawę konopi w UE znacznie wzrosła z 19 970 hektarów (ha) w 2015 roku do 34 960 ha w 2019 roku (wzrost o 75%). W tym samym okresie produkcja konopi wzrosła o 62,4%, z 94 120 ton do 152 820 ton. Francja jest głównym producentem w Europie, odpowiadając za ponad 70% produkcji UE, z Holandią (10%) i Austrią (4%) na kolejnych miejscach.
Ostatnio pojawiło się odrodzone zainteresowanie konopiami jako materiałem izolacyjnym oraz surowcem do produkcji papieru specjalistycznego. Jest to także doskonała roślina zmianowania upraw. Zużywa tylko ułamek wody potrzebnej do uprawy bawełny, pochłania więcej dwutlenku węgla na hektar niż inne rośliny i większość drzew, a każda część rośliny przynosi korzyści. Jego rozbudowany system korzeniowy poprawia strukturę gleby, a kolejne uprawy mają mniejsze naciski chwastów. Badania dotyczące uprawy pszenicy ozimej po konopiach wykazały wzrost plonów o 10-20%. Może to być przypisane zmniejszeniu liczby pasożytniczych nicieni i patogennych grzybów oraz zmniejszeniu strat wody i erozji gleby z powodu wzrostu konopi.
Konopie są także bardzo efektywne w rekonstrukcji ekologicznej i rekultywacji gruntów ze względu na ich zdolność do fitoremediacji, czyli zdolność do usuwania metali ciężkich z gleby. W ciągu czasu może usuwać metale ciężkie i inne substancje zanieczyszczające z głębszych warstw gleby w miarę rozwoju systemu korzeniowego. Wreszcie, biochar wyprodukowany z konopi do stosowania w glebie może potencjalnie poprawić sekwestrację węgla w glebie i zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych.
Ważne czynniki w uprawie konopi dla celów energetycznych
Odmiany konopi dobrze przystosowują się do klimatu umiarkowanego, dlatego mogą być uprawiane w większości krajów w Europie, w tym w Wielkiej Brytanii. W okresie wegetacyjnym potrzebują od 200 do 300 mm opadów deszczu. Ilość deszczu, który pada przez całe lato, jest mniej istotna dla rozwoju niż odpowiednia wilgotność gleby. Silny system korzeniowy skutecznie zmniejsza wpływ krótkotrwałej suszy. Dlatego kiełkowanie nasion może trwać od 8 do 12 dni w temperaturze gleby od 8 do 10 stopni Celsjusza. Młode rośliny mogą wytrzymać krótkotrwałe przymrozki do -6 stopni Celsjusza. Długość dnia ma istotny wpływ na rozwój konopi. Dlatego zaleca się sadzenie konopi na cel biomasy pod koniec kwietnia.
Dla konopi niezbędna jest dobrze wykształcona, żyzna gleba o odczynie neutralnym lub lekko alkalicznym. Silny system korzeniowy zapewnia, że rośliny mogą pobierać wodę i składniki odżywcze z głębszych warstw gleby. W systemie zmianowania upraw, w którym dominują zboża, konopie są pożądanym przedplonem, ponieważ poprawiają agregacyjną strukturę gleby.
Uprawa i wybór odmian
Konopie wymagają zimowej orki i wiosennego przekopywania, aby zapobiec przesuszeniu gleby. Przy decyzji o ilości nawozów mineralnych do zastosowania przed sadzeniem, należy wziąć pod uwagę ilość składników odżywczych w glebie i uprawie poprzedniego gatunku. Zalecane ilości konkretnych nawozów to około 80 kg/ha azotu, 50 kg/ha P2O5 i 90 kg/ha K2O. Ogólnie rzecz biorąc, konopie nie potrzebują chemicznych pestycydów ani środków chwastobójczych do zwalczania chwastów, chorób czy szkodników, ponieważ mają jedno z najbardziej intensywnych temp wzrostu spośród wszystkich roślin uprawnych. Konopie należy sadzić w gęstości 40-50 kg/ha przy odstępie między rzędami 20-30 cm.
W Katalogu Wspólnotowym UE odnotowano 75 odmian roślin uprawnych konopi. Główne czynniki wpływające na wybór odmiany konopi obejmują jej przydatność do wzrostu w danym regionie i końcowy produkt, dla którego jest uprawiana. Większość odmian konopi może wydajnie dostarczać 12-15 t suchej masy na hektar. Przeprowadzane są badania genetyczne i hodowlane w celu uzyskania nowych odmian dających ponad 20 t/ha biomasy o wysokiej zawartości włókien i celulozy oraz śladowych ilości THC.
Co sprawia, że konopie są potencjalną rośliną do produkcji bioenergii?
Popyt na biomasy do przekształcenia w energię szybko rośnie i przewiduje się, że będzie przyspieszał w nadchodzących latach. Konopie przemysłowe są cenne ze względu na swoją wysoką wydajność biomasy i energii na hektar. Kilka badań twierdzi, że konopie mogą być używane do produkcji energii jako źródło paliwa bez emisji siarki, zarówno przez bezpośrednie spalanie, jak i przekształcanie ich w paliwa ciekłe, takie jak bioetanol. Olej konopny, tradycyjnie używany jako olej lampowy, może być wykorzystany do produkcji odnawialnych biopaliw, które emitują mniej tlenku węgla podczas spalania, zastępując benzynę w silnikach diesla, co przyczynia się do łagodzenia globalnego ocieplenia.
Cała roślina może być wykorzystana do produkcji różnorodnych produktów w biorafinerii, w tym surowców i biokomponentów, takich jak kwas bursztynowy, ciepło z brykietów lub peletów, energia elektryczna z bali biomasy oraz paliwa samochodowe, takie jak biogaz z fermentacji beztlenowej czy bioetanol z fermentacji. W zakresie biopaliw, konopie mogą dostarczać biodiesla tłoczonego z nasion oraz bioetanolu i metanolu z fermentowanej łodygi, wszystko to stanowi czyste odnawialne alternatywy dla paliw na bazie ropy naftowej.
Konopie są szybko rosnącą rośliną, która może wytrzymać wysoką gęstość sadzenia, a jej całkowita biomasa na hektar jest podobna do innych roślin energetycznych, takich jak gigantyczny miskantus, topola, trawa pastewna i wierzba. Jednak znaczącą zaletą konopi nad innymi roślinami energetycznymi jest wyższe stężenie strawy konopi w celulozie i hemiceulozie. Zawierają one odpowiednio 73-77% celulozy, 7-9% hemiceuloz i 2-6% ligniny, w porównaniu do 48%, 21-25% i 17-19% odpowiednio w łupinie. Z drugiej strony celuloza i hemiceuloza łupiny konopi są porównywalne do tych w łodygach gigantycznego miskantusa, topoli, trawy pastewnej i wierzby. Warto zauważyć, że 20–30% biomasy łodygi konopi składa się z wysokowartościowego włókna celulozowego, co skutkuje wyższym stosunkiem strawy konopi do ligniny niż w przypadku innych podobnych roślin bioenergetycznych. Te cechy sprawiają, że konopie są nadprzeciętną rośliną energetyczną do produkcji biopaliw opartych na biochemii i do zastosowań w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych.
Jakość paliwa konopi
Najważniejszymi cechami przy ocenie jakiejkolwiek substancji energetycznej są wartość opałowa, zawartość popiołu, zachowanie topnienia, cechy fizyczne oraz ewentualne negatywne skutki korozji wymienników ciepła lub emisji z komina. W kolejnym dziale oceniana jest jakość opału konopnego. Porównanie z innymi roślinami opałowymi jest dokonywane tam, gdzie dostępne są dane.
Wartość opałowa
To najważniejsza właściwość każdego paliwa. Biomasa zarówno z całej rośliny konopi, jak i z jej produktów ubocznych (łuski i słoma), może być doskonałym surowcem do produkcji energii. Badanie przeprowadzone w laboratorium biopaliw Teagasc wykazało, że pod warunkiem, iż konopie mogą być suszone na polu do wilgotności 20%, ich wartość opałowa netto jest wyższa niż wiele innych form biomasy i znacznie wyższa w porównaniu do torfu. W związku z tym konopie mogą stanowić doskonałą alternatywę dla zakładów energetycznych opalanych torfem. Różnice w wartościach kalorycznych brutto są niewielkie.
Inne badanie podało wartości opałowe brutto całej rośliny konopi i produktów ubocznych w porównaniu z innymi biomasa, a wyniki te okazały się porównywalne lub lepsze (rysunek 6). W badaniu tym konopie okazały się odporne na warunki suszy, a efektywność energetyczna na hektar konopi narażonych na niedobór wody była o 10% wyższa niż w przypadku kukurydzy przy tych samych warunkach, co potwierdza odpowiedniość konopi przemysłowych do produkcji energii.
Popiół i punkt topnienia
Zawartość popiołu w próbkach konopi, zgłaszana w literaturze naukowej, wynosi od 3 do 4%, co jest znacznie więcej niż w drewnie, ale mniej niż w torfie i porównywalne do wielu biomaterii nie-drzewnych. Wysoka zawartość popiołu konopi niestety wydłuża czasy konserwacji kotłów i powoduje problemy z usuwaniem popiołu, ale jak bardzo to się wydłuża zależy od zastosowania. Na przykład może sprawić, że paliwo staje się nieprzydatne jako surowiec granulowany do piecyków na paliwa stałe w kotłach lub kotłowniach miejskich, ale może mieć niewielki wpływ na rynek kotłów wiejskich i być mile widziane przez elektrownie, które już używają torfu z 6-7% zawartością popiołu.
Punkt topnienia popiołu jest również istotny, zwłaszcza w aplikacjach wymagających wysokich temperatur spalania. Niskie temperatury topnienia mogą spowodować zlepianie się popiołu i zatkanie otworów rusztu oraz systemów usuwania popiołu. Zachowanie topnienia zależy od składu popiołu, ale nawet przy różnicach obliczone wartości punktu topnienia popiołu konopi są wyższe niż większość innych biomasy nie-drzewnej. Dlatego też, w normalnych warunkach spalania, problemy z topnieniem popiołu nie powinny stanowić problemu w przypadku konopi.
Korozja i Emisje
Jednym z głównych problemów związanych z materiałami nie-drewnianymi jest skłonność paliwa do korodowania powierzchni wymiennika ciepła, głównie związana z zawartością chloru, potasu i sodu w materiale. Konopie mają niski poziom Cl i Na, podczas gdy ich zawartość K jest wyższa niż drewna, ale podobna do wielu słomy. Konopie zazwyczaj wykazują lepsze właściwości niż słoma zbożowa, która jest skutecznie spalana w elektrowniach w Danii i Wielkiej Brytanii, a także w kotłach i elektrociepłowniach (CHP) w Danii.
Emisje z kominów (gazy emitowane do atmosfery z kominów kotłów, kominów czy zestawów generatorów diesla) zależą od projektu instalacji, czynników operacyjnych, a także od składu paliwa. Paliwo o wysokiej zawartości lotnych związków i niskiej zawartości siarki, chloru, potasu i metali ciężkich zazwyczaj wykazuje niskie emisje z kominów. Łodygi konopi zawierają <80% związków lotnych, więcej niż większość innych biomasy roślinnej, oraz umiarkowane poziomy S, Cl i K. Chociaż w konopiach nie zmierzono nadmiernych ilości metali ciężkich, zdolność konopi do pobierania metali ciężkich z gleby może stwarzać problem z emisjami, jeśli konopie są uprawiane na zanieczyszczonych glebach.
Analiza Rentowności
Główne czynniki wpływające na rentowność to plony z uprawy, koszty produkcji, koszty energii i wsparcie dostępne dla energii odnawialnej. Poniższy fragment analizuje rentowność uprawy konopi dla produkcji energii na podstawie tych czynników.
Plony
Zdolność konopi do produkcji znacznych plonów biomasy przy stosunkowo niewielkim zużyciu wody to jedna z jej głównych zalet. Konopie potrzebują mniej wody niż wiele innych roślin, w tym lucerny i kukurydza, i mogą produkować 15 ton suchej masy przy zaledwie 250–400 mm wody przy użyciu nowoczesnych technik produkcji. Temperatura otoczenia to kolejny czynnik wpływający na rozwój konopi; może być uprawiana najskuteczniej w zakresie od 13 do 22 °C. Ponieważ konopie posiadają naturalne mechanizmy obronne przed chorobami i atakami owadów, ich uprawa wymaga tylko niewielkiej ilości środków biobójczych. Te czynniki sprawiają, że uprawa konopi jest stosunkowo tania.
Trzyletnie badania przeprowadzone w Irlandii wykazały, że w warunkach klimatycznych tego kraju wczesne siewy mają duży wpływ na plony. Ponadto, ilość nasion może być dostosowana w celu zoptymalizowania plonów i kosztów nasion bez obaw o jakość włókien. Badanie to również wykazało, że nasionowanie w ilości 30 kg/ha daje najwyższe plony. Badanie zakończyło, że zbierany plon 11 ton/ha suchej masy, co odpowiada około 13,7 ton/ha przy wilgotności 20%, jest osiągalny i opłacalny.
Żniwa
Procedura cięcia i układania wiatrówki jest kosztowna i ma istotny wpływ na straty na polu, suszenie na polu i wydajność prasowania. Konieczne jest opracowanie nowych projektów maszyn do zbioru, które umożliwiają współprodukcję ulepszonych produktów z konopi, takich jak wysokiej jakości nasiona i słoma, co może z kolei poprawić rentowność produkcji konopi przemysłowych.
Ekonomika Uprawy Konopi
Konieczne jest, aby uprawa konopi dla produkcji energii była opłacalna dla rolnika. Aby zapewnić atrakcyjne ceny dla gotowego produktu na podstawie umów, konieczne są niższe koszty produkcji. Niskokosztowa produkcja włókien, nasion lub olejków eterycznych do celów technicznych może nieznacznie zwiększyć rentowność produkcji konopi przeznaczonych na produkcję energii. Resztkową biomasę (słomę i łuski) można następnie sprzedawać w postaci brykietów do wykorzystania w produkcji energii.
Produkcja konopi różni się znacznie każdego roku, a zatem rentowność uprawy konopi również zmienia się. W Kanadzie, jednym z największych producentów konopi na świecie, przychód z produkcji konopi szacuje się na 510 dolarów za akr dla włókien, 400 dolarów za akr dla ziarna i 580 dolarów za akr zarówno dla produkcji włókien, jak i ziarna konopi. Jest to porównywalne z sugerowanymi zyskami z badania przeprowadzonego w USA.
Inne badanie w USA, które porównywało konopie z kenafem, trawą switch, trawą sudan i sorgo, wykazało, że konopie generują największe dochody spośród tych czterech upraw, uzyskując 2632 $/ha (2462 $/ha z ziarna i 170 $/ha z etanolu) w porównaniu do 908 $ dla kenafu, 4803 $/ha dla trawy switchgrass i 1725 $ dla sorga, gdy są używane do współprodukowania etanolu i ziarna, chociaż konopie miały niższy plon biomasy. Wartości te obejmują plon i wartość ziarna konopi i sorga oraz koszty uprawy dla każdego rodzaju biomasy. Jedno badanie analizowało rentowność konopi, przy czym cena była porównywalna do ceny ropy naftowej. Wykazało, że konopie przemysłowe miały roczny netto zysku od 2000 do 3500 euro/ha, co było wyższe niż zarobki zarówno z rzepaku, jak i z buraków cukrowych. Wykorzystanie nawozów organicznych również zwiększało zyski, choć mniej istotnie niż w przypadku rzepaku i buraków cukrowych.
W krajach UE rolnicy uprawiający konopie mają prawo do bezpośrednich płatności obszarowych w ramach Wspólnej Polityki Rolnej (WPR), o ile odmiana konopi uprawianej ma zawartość THC (tetrahydrokannabinolu, głównego związku psychoaktywnego w marihuanie) nie przekracza 0,3% i jest wymieniona w wspólnym katalogu odmian roślin rolniczych UE. W Wielkiej Brytanii, pomimo długiej historii uprawy konopi, od kilku lat uprawia się ich bardzo mało, a kraj ten znacząco odstaje od swoich europejskich konkurentów. Jedynie 20 rolników w Wielkiej Brytanii uprawia obecnie konopie na obszarze 800 hektarów. Główną przyczyną tego stanu rzeczy są uciążliwe regulacje. Uprawa konopi przemysłowych jest legalna w Wielkiej Brytanii za zezwoleniem, ponieważ uważana jest za "specjalny cel" zgodnie z Ustawą o Nadużywaniu Narkotyków z 1971 roku (MDA). W rezultacie rolnicy konopi muszą przestrzegać surowych wytycznych dotyczących licencjonowania substancji kontrolowanych.
Podsumowanie
Konopie przemysłowe są bardziej wszechstronne i dochodowe niż wiele innych roślin biomasy, takich jak olbrzymi miskantus, wierzba, topola i trawy switch. Dają one dużą ilość biomasy (12-15 t/ha suchej biomasy) przy minimalnym zużyciu wody, nawozów i pestycydów. Najlepsze zastosowania konopi przemysłowych obejmują współprodukcję produktów konopnych, takich jak izolacja do budynków, papier konopny, tekstylia itp. z biopaliwami. To doskonała roślina w systemie zmianowania upraw, dobrze współgra z uprawami spożywczymi i paszowymi, poprawiając plony kolejnych upraw dzięki korzystnemu wpływowi konopi na glebę, takim jak poprawa struktury gleby oraz redukcja pasożytniczych nicieni i grzybów.
Konopie mają ogromny potencjał, aby stać się obiecującym uprawem towarową do produkcji zarówno biopaliw, jak i produktów o wartości dodanej. Stanowią doskonałą roślinę rotacyjną, która doskonale współgra z uprawami spożywczymi i paszowymi, poprawiając plony kolejnych upraw dzięki korzystnym wpływom konopi na glebę. Najlepsze zastosowania konopi przemysłowych obejmują współprodukcję produktów konopnych z biopaliwami. Ich wysoki plon, wyższy stosunek celulozy do hemicelulozy, a także trawienie cukrów do ligniny oraz ekonomika produkcji dają im konkurencyjną przewagę nad innymi uprawami biomasy, takimi jak gigantyczny miskant, wierzba, topola czy trawa switchgrass.
Aby wspierać rozwój konopi jako uprawy na cele energetyczne, konieczne są zmiany w regulacjach, które wymagają licencji do produkcji konopi. Dotacje na inwestycje w zakłady przetwórcze i sprzęt znacząco zwiększyłyby opłacalność uprawy konopi w istniejących cyklach upraw na obszarach trawiastych, gdzie biochar z konopi może być współspalany z węglem dla redukcji emisji. Producenci konopi mogą skorzystać z inwestycji w sprzęt przetwórczy, który może waloryzować wiele potencjalnych produktów z konopi.
SPRAWDŹ
