Materiały do III zajęć

Projekt „Wiedza i umiejętności kluczem do sukcesu inżynierów Ochrony

Środowiska oraz Odnawialnych Źródeł Energii i Gospodarki Odpadami”

współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego

„Wybrane zagadnienia dotyczące obrotu biomasą i biopaliwami”

Zajęcia III - Plantacyjna uprawa roślin energetycznych – gatunki, wymagania siedliskowe,

przeznaczenie

grupa 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

Biomasa - definicje

Za biomasę uznaje się ulegającą biodegradacji część produktów,

odpadów wraz z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi lub

pozostałości z rolnictwa, leśnictwa i związanych z nimi działów

przemysłu, a także ulegającą biodegradacji część odpadów

przemysłowych i miejskich. [Dyrektywa 2003/30/WE, 2003].




Społecznego

Biomasa - definicje

Encyklopedia PWN definiuje biomasę jako:

„masę materii zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych w

momencie pomiaru, wyrażana bywa w jednostkach tzw. świeżej

masy (naturalna masa organizmów), suchej masy (masa bezwodna),

w przeliczeniu na węgiel organiczny lub w jednostkach energii,

pozwala określić ilość materii organicznej wytworzonej przez

populację w danej przestrzeni oraz czasie i stanowi miarę

produktywności biologicznej” [Encyklopedia PWN 1995].




Społecznego

Biomasa - definicje

PN-EN 14588:2011E Biopaliwa stałe -- Terminologia, definicje i określenia:

Biomasa – materiał organiczny z wyłączeniem materiału w postaci

skamielin będących forma geologiczną




Społecznego

W procesie tworzenia biomasy główną rolę odgrywa fotosynteza. Sprawność tego

procesu wynosi 0,5-1 % w wiązaniu energii słonecznej w masę rośliną. W takim

przypadku z 1000 kWh energii która dociera do powierzchni Ziemi w ciągu roku na 1 m2,

w naszych warunkach środowiskowych, możemy uzyskać około 5 – 10 kWh/m2/rok. Jest

to energia uzyskana z plonu głównego, to znaczy części roślin, które możemy

wykorzystać w dalszym procesie przetwarzania. Jednak w dalszym przetwarzaniu

następują straty energii, np. przy konwersji biomasy na energię. Zakładając teoretycznie z

1 m2 5-10 kWh energii i sprawność wytwarzania energii w elektrowni rzędu około 35%,

oraz 4500 kWh energii jaką zużywa statystyczny Polak w ciągu roku. To należało by

przeznaczyć około 0,26 ha powierzchni pod uprawę roślin przeznaczonych do spalania.

Powierzchni użytków rolnych w Polsce wynosi 18,87 mln ha (dane z roku 2011)

Fotosynteza




Społecznego

Fotosynteza




Społecznego

Podstawowe typy fotosyntezy

TYP C3

CO2 jest przyłączany w komórkach w związek trzywęglowy - kwas 3-fosfoglicerynowy

Ewolucyjnie jest pierwotnym rodzajem fotosyntezy. Rośliny charakteryzujące się tym typem

metabolizmu stanowią ponad 95% wszystkich roślin. Większość z nich występuje w strefie

klimatu umiarkowanego.

TYP C4

CO2 jest przejściowo wiązany w komórkach tworząc związek

czterowęglowy - szczawiooctan

Fotosynteza C4 występuje ponad 1% roślin na świecie. Szczególnie często występuje u traw i

turzyc stref tropikalnych jako przejaw adaptacji do warunków charakteryzujących się niską

wilgotnością oraz dużym natężeniem światła. Rośliny te charakteryzuje również tolerancja na

zasolenie gleby. Zdecydowanie mniej rozpowszechniony jest ten typ fotosyntezy wśród roślin

dwuliściennych.

Fotosynteza




Społecznego

Roślinami energetycznymi przeznaczonymi do produkcji biomasy nazywamy

dzikie lub udomowione rośliny charakteryzujące się produkcją dużej ilości

energii w warunkach niskich nakładów środków produkcji. Idealna roślina

energetyczna powinna cechować się następującymi właściwościami

[Gradziuk 2007]:

• wieloletnim charakterem wzrostu i rozwoju,

• generatywnym sposobem rozmnażania, ?

• szybkim wzrostem na początku wegetacji oraz dużą zdolnością krzewienia i

rozgałęzienia się roślin,

• wysoką produktywnością fotosyntetyczną oraz dużym udziałem łodyg w

suchej masie części nadziemnej,

• niskimi wymaganiami wodnymi i tolerancją na suszę,

• szybkim wysychaniem roślin w czasie zimy co powoduje, że w czasie zbioru

biomasa charakteryzuje się niską zawartością wody,

• wysoką produkcją biomasy,

• dobrymi parametrami jakościowymi biomasy związanymi z jej spalaniem.

Wymagania stawiane roślinom energetycznym




Społecznego

Kwestią bardzo rzadko podnoszoną w dyskusjach nad roślinami

energetycznymi jest również to, że część z nich to gatunki obce dla rodzimej

flory. Zagrożenia ze strony obcych gatunków dla przyrody są w skali globalnej

co najmniej tak samo poważnym zagrożeniem jak zmiany klimatyczne. Zatem

stosując rośliny energetyczne by zmniejszyć ocieplanie klimatu, ponosimy

ryzyko eskalacji nie mniej groźnego problemu inwazji biologicznych [Solarz,

Chmura 2007].

Zatem ocena przydatności roślin w przemyśle energetycznym powinna

również uwzględniać stopień ich inwazyjności oraz zagrożeń dla rodzimej flory.

Do wymagań stawianym roślinom powinien zostać dodany punkt o

nieinwazyjności roślin

Wymagania stawiane roślinom energetycznym




Społecznego

Wpływ upraw energetycznych na środowisko naturalne

Gatunki roślin obcego pochodzenia noszą nazwę antropofitów

Gatunek obcy (syn. obcego pochodzenia, nierodzimy, allochtoniczny,

introdukowany, wprowadzony, egzotyczny) to gatunek lub niższy takson

introdukowany świadomie lub zawleczony przypadkowo przez człowieka poza

zasięg, w którym występuje lub występował w przeszłości, włączając w to części,

gamety, nasiona lub jaja, dzięki którym może on przeżywać i rozmnażać się. Nie

dotyczy to jednak gatunków spontanicznie rozprzestrzeniających się poza ich

dotychczasowe naturalne zasięgi.




Społecznego

Gatunek inwazyjny to taki, który we względnie szybkim tempie i dużej liczbie

osobników kolonizuje nowe tereny i siedliska wywołując przy tym negatywne, niekiedy

katastrofalne efekty w ekosystemach i gospodarce. Inwazyjność dotyczy zarówno

gatunków obcych, jak i rodzimych, poszerzających swój areał i spektrum siedliskowe.

Gatunek obcy inwazyjny lub gatunek inwazyjny obcy to gatunek obcy, którego

wprowadzenie czy zawleczenie wywołuje zagrożenia dla lokalnej różnorodności

biologicznej i/lub gospodarki człowieka.





Społecznego

Niektóre najgroźniejsze gatunki roślin

inwazyjnych w Polsce:

• barszcz Sosnowskiego

• barszcz Mantegazziego

• rdestowiec ostrokończysty

• rdestowiec sachaliński

• nawłoć kanadyjska

• nawłoć późna

• niecierpek drobnokwiatowy

• niecierpek gruczołowaty

• irga błyszcząca

• świdośliwka kłosowa

• czeremcha amerykańska

• róża pomarszczona

• robinia akacjowa

• rudbekia naga


Plantacje energetyczne

Międzynarodowy Związek Leśnych Instytutów Badawczych za gatunki

szybkorosnące uważa takie, które generują przyrost drewna większy

od 10 t. s. m./ha/a. Plantacje energetyczne można podzielić w

zależności od długości cyklu produkcyjnego:

- plantacje o długim cyklu (60-25 lat)

- plantacje o średnim cyklu ( 25 – 10 lat)

- plantacje o krótkim cyklu ( 2 – 10 lat)

[Z. Kołodziej 2010]

Zbiór biomasy z plantacji zielnych roślin energetycznych

przeprowadzany jest w cyklu rocznym




Społecznego

Przegląd wybranych gatunków energetycznych

Wierzba wiciowa Salix viminalis L., (w. krzaczasta, w. krzewiasta, witwa,

konopianka) – jest gatunkiem drzew lub krzewów należących do rodziny

wierzbowatych. W ostatnim okresie gatunek ten nazywany też wierzbą

energetyczną. Pospolity gatunek euroazjatycki. Bardzo często spotyka się,

różniące się od typowej formy, trudne do oznaczenia mieszańce z: w. iwą, w.

kruchą, w. migdałową, i innymi gatunkami wierzby.

Fot. M. Wróbel




Społecznego


Wierzba wiciowa Salix viminalis L.

Królestwo jądrowe Eukaryota

Podkrólestwo rośliny Phytobionta

Gromada rośliny telomowe Telomophyta

Podgromada okrytozalążkowe Angiospermae

Klasa dwuliścienne Dicotyledones

Podklasa ukęślowe Dilleniidae

Nadrząd fiołkopodobne Violanae

Rząd wierzbowce Salicaes

Rodzina wierzbowate Salicaceae

Rodzaj wierzba Salix

Gatunek wierzba wiciowa Salix viminalis L.




Społecznego






Społecznego

Pokrój

Najczęściej wyniosły krzew lub rzadziej drzewo osiągające wysokość do 5m.

Pędy

Cienkie i wiotkie gałązki o szarym lub zielonawym kolorze kory, młode gałązki są owłosione.

Liście

Krótkoogonkowe o kształcie lancetowatym lub równowąskim, całobrzegie. Długość liści 8-25cm natomiast

szerokość 6-12mm. Charakterystycznie podwinięte na brzegach, strona wierzchnia ciemna, żywozielona, z żółtą

żyłką pośrodku, spód jedwabiście owłosiony połyskujący.

Kwiaty

Roślina dwupienna, owadopylna. Kwiaty zebrane w kwiatostany, zwane kotkami, kształtu walcowatego. Kwiaty

męskie składają się z dwóch pręcików, żeńskie z jednego słupka, skupione są na szczytach pędów. Rozwijają

się wczesną wiosną przed rozwojem liści, a czasem równocześnie z nimi. Okres kwitnienia od marca nawet do

maja.

Owoc

Wielonasienna torebka pękająca dwoma klapami. Nasiona drobne, opatrzone puchem.

Rozmnażanie

W warunkach naturalnych rozmnażanie generatywne. W uprawach – wegetatywnie z sadzonek zwanych

sztobrami lub zrzezami.

Wymagania

Popularna na terenie całego kraju, najczęściej w miejscach wilgotnych nad rzekami i strumieniami. Gatunek

odporny na skrajne warunki klimatyczne i choroby, posiada małe wymagania glebowe przy dużej dynamice

wzrostu w kolejnych sezonach wegetacyjnych. Przydatny do nasadzeń nadwodnych, nieodpowiednia na gleby

suche.

Plon dla wierzby jednorocznej wynosi ok. 14,9 t. s. m. /ha/a a dla trzyletniej wynosi on już 21,5 t. s. m. /ha/a.

Ponadto wraz z wydłużeniem cyklu produkcyjnego wzrasta również wartość energetyczna biomasy z 18,55 do

19, 56 MJ/kg s.m.




Ślazowiec pensylwański Sida hermaphrodita Rusby., (Sida, malwa wirginijska,

całkowicie błędnie nazywany też malwą pensylwańską) – jest byliną, odrastającą

corocznie, zwiększając liczbę łodyg w zwartej kępie od jednej w pierwszym roku do

20-30 w latach następnych, należy do rodziny ślazowatych która obejmuje kilkaset

gatunków roślin. Pochodzi z Ameryki Północnej gdzie występuje w środowisku

naturalnym kilku stanów m. in. Wirginia i Pensylwania. Inne gatunki z tego rodzaju

spotykane są na obszarach Afryki, Australii i Wyspach Zielonego Przylądka. W

Polsce pojawił się w latach 50.

Fot. M. Wróbel




Społecznego


Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby)






Podklasa ukęślowe Dilleniidae

Nadrząd ślazopodobne Malvanae

Rząd ślazowce Malvales

Rodzina ślazowate Malvaceae

Rodzaj ślazowiec Sida

Gatunek ślazowiec pensylwański Sida hermaphrodita Rusby




Społecznego






Społecznego


Pokrój

Zwarta kępa o silnym systemie korzeniowym wykształcająca od kilku do kilkunastu pędów o wysokości ponad 3,5 metra.

Pędy

Wzniesione o przekroju okrągłym, średnicy od 5 do 50mm, z otworem w środku w części dolnej, odrastające co roku z

pączków wzrostowych znajdujących się na korzeniach w strefie przyłodygowej. Liczba pędów zwiększa się co roku.

Liście

Dłoniaste, klapowane, brzegiem piłkowane, o dużej zmienności wcięć, omszenia i wielkości. Barwa liści od intensywnie

ciemnozielonej poprzez jasnozieloną do seledynowej.

Kwiaty

roślina owadopylną chętnie oblatywana przez pszczoły i obcopylną o dużym poliformiźmie. Kwiatostanem jest podbaldach

składający się z drobnych kwiatków o średnicy ok. 20mm o 5 białych płatkach korony, 5 działkach kielicha i żółtych

pylnikach. Okres kwitnienia od lipca do września.

Owoc

rozłupnia zawierająca średnio 5-8 nasion, o masie tysiąca nasion 2,5-4g. Nasiona nie osypują się a więc nie dochodzi do

naturalnego podsiewania. Ze względu na tzw. zjawisko "twardości" nasion ich zdolność kiełkowania bezpośrednio po

zbiorze wynosi zaledwie 2%. Po roku przechowywania zdolność ta wzrasta do 50-60%. Owoce dojrzewają stopniowo na

przełomie sierpnia i września.

Rozmnażanie

Ślazowiec pensylwański rozmnaża się generatywnie, czyli przez nasiona i wegetatywnie - przez sadzonki korzeniowe lub

zielne

Plon: 10 – 15 t s.m./ha





Społecznego


Wymagania

Gatunek o nie dużych wymaganiach klimatyczno-glebowych. Odporny na skrajne temperatury, zarówno

niskie jak i wysokie, wytrzymuje niedostatek opadów latem i jest niezbyt wymagający w stosunku do

gleby. Roślina nadaje się do uprawy we wszystkich rejonach kraju na glebach wszystkich klas z

wyjątkiem VI i słabych klas V, o odczynie obojętnym, dopuszczalnie lekko kwaśnym. Jednak do

uzyskania wysokich plonów biomasy, wymaga gleb zasobnych w składniki pokarmowe. Głęboki system

korzeniowy ślazowca umożliwia mu przetrwanie okresów suszy, jednak przy zbyt małej ilości opadów

plony rośliny są zdecydowanie niższe.





Społecznego


Fot. M. Wróbel

Miskant olbrzymi Miscanthus ×giganteus Greef et Deu., (trzcina chińska, trzcinnik

olbrzymi, całkowicie błędnie nazywany również trawą słoniową, która to jest pospolitą

trawą afrykańską (Pennisetum purpureum Schumach.), jedną z najważniejszych

składników roślinności sawannowej, zwłaszcza tzw. sawanny wysokiej. Miskant

natomiast, to okazała, wieloletnia trawa kępowa z rodziny wiechlinowatych pochodząca

pierwotnie z krajów Azji Południowo-Wschodniej. W środowisku naturalnym występuje na

obszarze Japonii, Chin oraz Korei. W Europie uprawiana jest od ok. 50 lat jako roślina

ozdobna. Dopiero w 1982 r. w Moser k. Magdeburga została po raz pierwszy w Europie

założona plantacja miskanta na cele energetyczne. Miskant olbrzymi jest naturalnym

mieszańcem, powstałym ze skrzyżowania Miskanta chińskiego (Miscanthus sinensis

Anders.) z Miskantem cukrowym (Miscanthus sacchariflorus Maxim.). Roślina o cyklu

fotosyntetycznym C4




Społecznego






Klasa jednoliścienne Monocotyledones

Podklasa liliowe Liliidae

Nadrząd komelinopodobne Commelinaes

Rząd trawowce Poales

Rodzina trawy Poaceae=Gramineae

Rodzaj miskant Miscanthus

Gatunek miskant olbrzymi Miscanthus ×giganteus Greef et Deu.

Miskant olbrzymi (Miscanthus ×giganteus Greef et Deu.)




Społecznego






Społecznego


Miskant olbrzymi (Miscanthus ×giganteus Greef et Deu.)Pokrój

Zwarta kępa o silnym systemie korzeniowym sięgającym do 2,5m w głąb ziemi. Wykształcająca od kilku do

kilkudziesięciu pędów o wysokości do 3,5metra (a nawet 4m).

Pędy

Zwane źdźbłami są grube, sztywne i wypełnione gąbczastym rdzeniem. Średnica waha się od 1 do 3cm. Tkanka

twórcza znajduje się w dolnej części każdego międzywęźla.

Liście

Dwurzędowo ustawione, naprzemianległe, pochwiaste, równowąskie, żyłkowanie równoległe. W miejscu złączenia

blaszki liściowej z pochwą występuje języczek. Blaszki liściowe ciemnozielone, długości 60–100cm, szerokości 0,8–

3,2cm, z charakterystycznym grubym, białym nerwem głównym.

Kwiaty

Charakterystyczny pierzasty kwiatostan (do 30cm długości) typu palmiasto – groniastej wiechy, który składa się z

kilkudziesięciu cienkich gałązek rozmieszczonych grupami na piętrach osi kwiatostanu. Wzdłuż każdej gałązki

znajdują się niewielkie sterylne kłoski (ok. 0,5cm długości) z plewami pokrytymi jedwabistymi włoskami. Kwiaty

trójkrotne, obupłciowe. Często jednak do nadejścia zimy kwiatostany są schowane w pochwach. Okres kwitnienia -

koniec października.

Owoc

Roślina sterylna - nie wytwarza nasion.

Rozmnażanie

Miskant olbrzymi rozmnażany jest wegetatywnie, w wyniku podziału karpy uzyskujemy sadzonki tzw. rizomy. Drugim

sposobem jest rozmnażanie z sadzonek uzyskanych metodą in vitro, jednak w tym przypadku rośliny charakteryzują

się małą odpornością na niskie temperatury.

Plon: 17 – 25t s.m./ha




Społecznego


Wymagania

Jest rośliną mało wymagającą, pod uprawę mogą być wykorzystywane gleby IV, V, a nawet VI klasy. Najważniejsze,

aby gleba posiadała właściwości do zatrzymywania i oddawania wody. Powinny to być gleby średnio zwięzłe, o

podłożu piaszczystym. Uprawa na glebach trzeciej klasy spowoduje wyższe plony oraz mniejsze zapotrzebowanie

na składniki mineralne. Niedobór wody powoduje obniżenie plonów. Sadzonki miskanta olbrzymiego, w pierwszych

dwóch latach są bardzo wrażliwe na poziom wody gruntowej, który nie powinien być niższy niż 2m. Roczna suma

opadów powinna oscylować wokół 600 mm, a średnia temperatura w roku powinna wynosić 8ºC. Odczyn pH gleby

może wahać się w granicach 4,5-8,2, ale najkorzystniejszym jest zbliżony do 6,2. Roślina wymaga w miarę

wysokiego poziomu wody gruntowej jednakże nie mogą to być tereny podmokłe czy też bagienne. Trwałość roślin

określa się na ok 15. lat. Sadzonki, ze względu na bardzo dużą zdolność krzewienia się, wysadza się w rozstawie

1x1m. Krytycznym momentem w uprawie w warunkach polskich jest wrażliwość sadzonek na niskie temperatury po

l roku uprawy Przed nadejściem zimy młode plantacje wymagają zabezpieczenia (np. ściółkowania słomą). Pełnię

rozwoju osiągają w trzecim sezonie wegetacyjnym. Wiązkowy system korzeniowy sięgający do 2,5 m w głąb ziemi

oraz szczególnie efektywny typ fotosyntezy C4 zapewnia szybki wzrost rośliny i duży przyrost biomasy. Dzięki silnie

rozwiniętemu systemowi korzeniowemu, rośliny są odporne na okresowe posuchy oraz zacieniające sąsiedztwo

drzew, co nie jest bez znaczenia przy okresach suszy występujących na obszarze Polski. Sprawdza się na terenach

nierównych, ze skłonami, gdzie gleba narażona jest na silną erozję.





Społecznego


Słonecznik bulwiasty, topinambur, bulwa (Helianthus tuberosus L.) – gatunek

byliny należący do rodziny astrowatych. Występuje dziko w Ameryce Północnej.

Do Polski sprowadzony został w drugiej połowie XIX w., jako roślina uprawna.

Obecnie występuje też w środowisku naturalnym na całym niżu i w niższych

położeniach górskich, jako uciekinier z uprawy. Na niektórych stanowiskach jest

dość liczny. Według ekologów stanowi zagrożenie dla gatunków rodzimych i

należy zaniechać jego uprawy na obszarach chronionych




Społecznego







Podklasa astrowe Asteridae

Nadrząd astropodobne Asteranae

Rząd astrowce Asrerales

Rodzina złożone Asteraceae=Compositae

Rodzaj słonecznik Helianthus

Gatunek słonecznik bulwiasty Helianthus tuberosus L.

Słonecznik bulwiasty (Helianthus tuberosus L.




Społecznego






Społecznego


Łodyga

Wzniesiona, prosta, dorasta do 3,5 metra wysokości. Cała jest szorstko owłosiona.

Kwiaty

Zebrane w koszyczki podobne do koszyczków słonecznika, ale mniejsze. Zewnętrzne kwiaty w koszyczku

(ok. 10), to płone kwiaty języczkowe o długości 2,5-4,5 cm, wewnętrzne to drobne kwiaty rurkowe, z

których powstają nasiona. Kwiaty języczkowe są żółte, zaś wewnętrzne, rurkowe są pomarańczowe lub

brunatne. Koszyczek okryty ciemnozielonymi lub prawie czarnymi i luźno odstającymi listkami okrywy.

Kwitnie od lipca do listopada, owadopylny. W Polsce nasiona przeważnie nie dojrzewają, roślina rozmnaża

się z podziemnych bulw pędowych.

Liście

Ulistnienie naprzeciwległe. Duże liście o owalnym lub jajowatym kształcie, grubo piłkowane i zaostrzone.

Ich dwa dolne nerwy boczne są silnie łukowato wydłużone.

Część podziemna

Roślina wytwarza rozłogi. Na ich końcach powstają podziemne bulwy pędowe, zawierające do 20%

węglowodanu inuliny, nieszkodliwego dla cukrzyków, a zawartość skrobi i innych cukrów prostych jest

niewielka. Dzięki takiej zawartości inuliny rośliny znoszą mróz i mogą zimować w glebie w naszych

warunkach klimatycznych w przeciwieństwie do ziemniaka. Jedna roślina wytwarza do kilkudziesięciu bulw

o różnej wielkości. Mają one nieregularny i różnorodny kształt. Na wiosnę są smaczniejsze, niż jesienią.

Biotop, wymagania

W środowisku naturalnym występuje na przydrożach, w zaroślach nadrzecznych. Roślina ruderalna.

Plon: od 30 do 70 ton zielonej masy (z łodyg i liści) (5 – 14 t s.m.) i od 12 do 36 t bulw na 1 ha.





Społecznego

Documents

Materiały do III zajęć