Реферат: Міскантус гігантеус як джерело енергетичної сировини сільськогосподарського походження
Ще знаходячись на «корені», зелена біомаса приносить величезну користь. Рослини нормалізують хімічний склад повітря, регулюють просування атмосферної і ґрунтової вологи, сприяють збагаченню ґрунту і перешкоджають її ерозії. Уже давно виявлений прямий зв'язок кількості опадів у регіонах з кількістю рослин, особливо дерев. Над позбавленими зелені ділянками суші дощі майже не випадають. І навпаки, найбільша кількість опадів спостерігається над великими лісами, особливо, якщо ці ліси розташовані в горах. Жителі півдня і Сходові України вже давно б'ють тривогу з приводу збільшення площі степів і зародження пустель унаслідок вітрової ерозії.
Думаємо, для того щоб збільшити площа і якість лісових насаджень, їх треба більше використовувати, у тому числі для енергетики. Адже збільшилася кількість і селекційна якість пшениці після того, як люди навчилися неї використовувати. Так само буде і з лісами. Треба тільки, щоб цією серйозною справою займалисядійсніхазяї своєї землі, а не прагнучі швидко розбагатіти комерсанти. Звичайнорадятьвикористовуватишвидкоростучівидирослин (бамбук, верба, тополя), алесушити і перевозититакубіомасу - однізбитки. Проте, уже є позитивний досвід уживання як паливо вербовихлозин. В усному народному фольклорі верба оспівана як найбільш погане паливо. Дані таблиці про вартість одногоквт
| Вид палива | Ціна (грн) |
| Лоза верби | 005 |
| Дрова ( в основна, сосна) | 0,063 |
| Кам'яне вугілля | 0,078 |
| Природний газ | 0,092 |
| Рідке паливо | 0,17 |
| Електроенергія | 0,24 |
Для опалення житла, нагрівання води, виготовлення електроенергії сьогодні застосовують піролизні казани. У таких казанах спалювання біомаси відбуваєтьсяв 3 етапи й у 3 окремих зонах казана. На 1 -метапіпаливосушиться і перетворюєтьсявгаз, 2-йетап - спалюваннягазу у форсункахзподачеюпідігрітоговторинногоповітря, 3-йетап - дожиганняпродуктівгоріннявтеплоізольованійкамері.
Генератори на біомасі для безпосереднього обігріву приміщень уже продаються в Україні.
Теперідеальноюкультуроюдляцихцілейєміскантус. Рослиназ його чотирьохметровим стеблом і метельчатим пухнатим суцвіттям без насінь є красивою енергетичною сировиною, тому що міститьвелика кількість целюлози 64-71%. ПривирощуванніміскантусакількістьЗ2 , щопоглинаєтьсяїм у процесіростуадекватнокількостіЗ2 , виділюваногоприспалюванні. Тобто в даному випадку ми маємо замкнутий цикл вуглецю. Крімтого, привирощуванніміскантусами маємопозитивнийенергетичнийбаланс у порівнянні з іншимикультурами (верба, коноплі), позитивнийбаланспогумусі, томущопісля 4 роківвирощуванняміскантуснакопичує15-20т. підземної біомаси, що еквівалентна 7,2-9,2т, вуглецю на гектарі.
У тойжечас, навирощуванняміскантусанаправляєтьсязначноменшероботи, чимнаобробкукукурудзиабосої.
Розвиток біоенергетичних технологій зменшить залежність України від імпортованих енергоносіїв, підвищить її енергетичну безпеку за рахунок організації енергопостачання на базі місцевих поновлюваних ресурсів, створить значна кількість нових робочих місць (переважно в сільських районах), внесе великий вклад уполіпшення екологічної ситуації.
У затвердженою Верховною Радою України в 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачене покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних поновлюваних і інших джерел енергії. У 2000 р. актуальність цього пункту Програми була підтверджена в Рекомендаціях парламентських слухань відносно "Енергетичної політики України". ЯкщоорієнтуватисянадосвідкраїнЄС (дечасткабіомасискладає60% усіхВДЕ), біомасаможепокриватиблизько 6% потребнародногогосподарстваУкраїнивенергії.
ДляУкраїнизїївеликимпотенціаломсільськогосподарськихземельдужеперспективнимєорганізаціяспеціальнихенергетичнихплантаційшвидкогообороту (верба, тополя, міскантус і ін.). Залученнябіомаси, спеціальновирощеноїназемлях, щозаразневикористовуються (землі, які підверглисярадіоактивномузабрудненню - 15Ки/км (555кбк/м)) абовикористовуютьсянеефективно в Україні, приведедопідвищеннячасткибіомаси в енергетичномубалансікраїнидо20-25%.
Виходячи з вищевикладеного, пропонуємозагальнийпроектповирощуваннюміскантусагігантеусу в умовахПоліссяУкраїниназемлях, які підверглисярадіоактивномузабрудненню. Це важливо тому, що в зоні радіоактивного забруднення обмежене вирощування продовольчих культур, тому їсти можливість замінити їхніми культурами енергетичними.
Необхідновивчитиособливостінагромадженнярадіонуклідівміскантусом, фізіологічніпроцеси в рослині в умовахвисокого і низькогорівнязабрудненняґрунтурадіонуклідами, визначитиоптимальніагроекологічніумовивирощуванняміскантусадлямінімізаціїкоефіцієнтапереходурадіонуклідівізґрунтуврослину, а такожвизначитиенергетичну й економічнуефективністьвирощуванняміскантусанадерено-підзолистихґрунтахПоліссяУкраїни.
За свідченням Світової енергетичної конференції (ради), розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергії вистачить на такий час: нафти — на 25-30 років; природного газу — 50-60 років; вугілля — 500—600 років; урану для АЕС на повільних (теплових) нейтронах — 20-30 років; плутонію для АЕС на швидких нейтронах — 1000—3000 років.
Саміекономічні й екологічно чисті первинні енергоносії — нафта і природний газ — є дефіцитними в Україні; їх споживають прискореними темпами, тому орієнтувати перспективу розвитку ПЕК України на їхній основі не можна. Використання плутонію для української економіки фінансово неможливо, і оскільки ці технології небезпечніше, ніж технології використання енергії теплових нейтронів, то, на перший погляд, напрошується висновок, що Україні доцільніше розвивати енергетикові на куті й урані, запасів якого в Україні більш ніж на 100 років.
Але Чорнобиль показав, що експлуатація АЕС небезпечна й економічно нерентабельна. Це, утім, не може бути основою для негайної зупинки всіх діючих АЕС.
З погляду стратегії довгострокового розвитку ПЕК серйозні заперечення викликає і пріоритетне будівництво ТЕС (на вугіллі): витрати, зв'язані насамперед із забрудненням навколишнього середовища, можуть багаторазово перевищити доход від виробництва електроенергії. До того ж Україні не вистачає інвестиційних засобів на розвиток вугільної промисловості і на модернізацію вугільних ТЕС для того, щоб вони відповідали вимогам по охороні навколишнього середовища.
Різке і неухильне зменшення обсягіввидобуткугазув Росії, її політична нестабільність і усе більшанедовіра до України не дозволяють розраховувати на широке застосування ПГУ і ГТУ.
Реалії життя змушують Україну орієнтуватися на широкомасштабне використання НПДЕ. У загальному робота в цьому напрямку в Україні почате. Розроблено і реалізується ряд мір, що передбачають упровадження техніки і технологій використанняНПДЕ, їхнє використання передбачене біля державних програм.
Але цього недостатньо. МожливостіНПДЕконкуруватизоб'єктамитрадиційноїенергетики, їхнюрентабельністьможнапродемонструватинаприкладідинамікизмінисобівартості (тарифів) електроенергії, генерованоїнаВЕС: напочаткуексплуатаціїйоговартістьвище, ніжнаоб'єктахтрадиційноїенергетики, алечерезякийсьчасвона значно зменшиться.
3. Ботанічна характеристика і походження міскантуса
Натуральними місцями походження рослин з родини Miscаnthus є терени Японії, Південних Курил, Манджурії, Кореї, Тайланду, Полінезії і Східного узбережжя США [19]. Росте він дико і вирощується для опалення на теренах майже цілої Південно-Східної Азії і Центральних США. Цей рід об’єднує понад двадцять різних морфологічних видів.
Особливо швидким ростом і високою якістю характеризується М.sinensis. В натуральному середовищі ці рослини доростають до 6м висоти, діаметр стебел досягає навіть 6см, а вегетація може тривати 30 років [10].
До початку п’ятого століття міскантус застосовувався тільки в Китаї, як протиерозійна рослина. До Європи найправдоподібніше потрапив в XVI столітті, але трактувався тільки як оздобна рослина, зважаючи на утворення великих купин [16].
В 1935 році датський вчений Ансель Ольсен завіз до Європи японський клон, який став вихідним пунктом для селекції рослин, які використовуються на даний час. З огляду на великий врожай, Карл Фостер дав цій рослині назву Miscanthus sinensis “Giganteus” [27]. З наукової сторони почали займатись цією рослиною в 1983 році на Станції селекції рослин в Данії. З того часу проводяться інтенсивні дослідницькі праці в багатьох країнах Європи : Німеччині, Великобританії, Італії, Франції, Іспанії, Польші.
Лінде-Лаурсен в 1993 році довів, що Miscanthus sinensis “Gigаnteus” є триплоїдом. У більшості верхівкових клітин коренів 2n=3х=57 або 58. Для роду Miscanthus основна кількість хромосом складає х=19. Клон, привезений Ольсеном, повстав найправдоподініше через схрещення M. sinensis - диплоїда (2n=2х=38) і аллеотрипоїда М.Saccharrflorus (2n=4х=76). Тому не може розмножуватись генеретивно ( має стерильний пилок ) [7]. Під впливом результатів подальших дослідів змінено його назву на Miscanthus x Giganteus.
Miscanthus належить до відділу покритонасінних (Angispermal), класу однодольні (Monocatyledoneae), ряду (Glumifloreae), родини злакові (Gramineae), роду Miscanthus (Anderse) , вид – Miscanthus giganteus Greef i Deu [5].
В Европі цілковита площа вирощування міскантуса в 1995-1996 рр. становила біля 170га, в 1998 році була ще малою, а найбільша площа була в Швеції (300га). В 1993 році встановлено Європейську Сітку в 10 країнах і вирощування проводилось вже у 18 місцях [31]. З 1994 року започатковуються великі міжнародні проекти, наприклад в Німеччині, де проводиться фірмою Vaba Oel AG [10].
Miscanthus giganteus є багаторічною трав’янистою рослиною з добре розбудованою кореневою системою. Маса коренів перед появою сходів складає біля 15- 25т сухої маси з гектара . Корені сягають до 2,5 метрів вглиб землі . Така коренева система сприяє дуже доброму використанню елементів живлення і води [32]. Стебло є дуже міцним, з волосками або без них, з добре видимими вузлами. Забарвлення однорідне. З огляду на великий вміст в стеблі лігніну і целюлози, відзначається він великою витривалістю до механічних ушкоджень. В європейських умовах рослини досягають від 200 до 350см висоти. В перший рік вегетації рослини досягають 200см, на другий рік – 350см, а в наступні – 400-450см [4]. Листові пластинки довгі, сплюснуті і ланцетовидні (у небагатьох видів овальні), без поперечних жилок, довжина 60-100см і ширина 0,8-3,2см. Ростуть поодиноко з вузлів, майже по всій довжині стебла. Забарвлені вони однорідно, яскраво- або темно-зеленого кольору. По середині листка проходить товстий головний нерв. На рослині листя утримується дуже довго, навіть на протязі зими. Суцвіттям є волоть, або колосовидна волоть, слабо розвинута, яка також довго залишається на рослині. Велика кількість генотипів не квітне або не утворює насіння [16]. Якщо внаслідок холодного клімату Східної Європи рослини не входять в стан спокою, то цвітуть вони між вереснем і листопадом [30].
Згідно з даними досліджень, проведених на Тайвані, рослини Miscanthus мають можливість адаптування і показують різну реакцію на умови середовища. Вчені помітили, що поверхня листків клонів, які походять з гірських районів з субтропічним кліматом, в більшій мірі, покрита воском і має меншу кількість продихів на верхній частині листка, ніж у тих, що походять з низин з тропічним кліматом. Клони з гірських районів мають також меншу пропускну здатність продихів і іншу будову епідермісу, що запобігає надмірній втраті тепла під час транспірації [1].
4. Кліматичні вимоги міскантуса гігантеуса
Кліматичні умови тереторій походження міскантуса пристосували його до умов високої температури і інтенсивності сонячного опромінення. В нашому кліматі ріст рослин типу С4 є обмежений низькими температурами. В Європі Miscanthus розпочинає ріст у квітні, коли температура ґрунту досягає 10-12ºС, а закінчується під впливом приморозків в листопаді. Температура потрібна для початку у розвитку листя і коливається між +5 і +10ºС, залежно від генотипу [13]. Але це є одна з небагатьох рослин з механізмом фотосинтезу С4 , яку можна вирощувати в умовах клімату Центральної та Східної Європи [1].
Хоча оптимальна температура для процесу фотосинтезу складає у міскантуса +28-32ºС, проте в умовах клімату Східної Європи сума добових температур є достатньою для досягнення високих врожаїв біомаси [20]. В наших кліматичних умовах рослини Miscanthus giganteus піддаються впливу низьких від`ємних температур. Вони найбільше ускладнюють закладання і утримання плантації. У рослин типу С4 вразливість від холоду є вищою при світлі, ніж в темноті. В таких умовах настає фотоінгібіція. Рослина абсорбує більше світла, ніж потрібно до виснаження процесу фотосинтеза. Це можепризвести до ушкодження у фотосинтезі ІІ, а в наслідок, до зменшення темпу вбирання вуглекислого газу. В умовах Європи висока концентрація сонячного опромінення з׳являється однак рідко [1].