Науково-практичний лісовий колегіум: ПЕРСПЕКТИВИ ВИРОЩУВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЛІСІВ В УКРАЇНІ

УДК 633.584.3:631.153.7

© Н.О. Толстушко, М.В. Вржещ, к.т.н.,
М.М. Толстушко, к.т.н., В.Є. Пенкаля
Луцький національний технічний університет

ПЕРСПЕКТИВИ ВИРОЩУВАННЯ
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЛІСІВ В УКРАЇНІ

У статті наведено перспективи вирощування та переваги використання енергетичної верби в Україні. Розкрито особливості вирощування, перелічені технології збирання та дано окремі характеристики енергетичної верби.
БІОПАЛИВО, ЕНЕРГЕТИЧНА ВЕРБА, ДЕРЕВИНА, ЗБИРАННЯ, РІЗАННЯ, ПРЕСУВАННЯ, РУЛОННИЙ ПРЕС-ПІДБИРАЧ.
Постановка проблеми. Енергетичні культури – це рослини, які спеціально вирощуються для використання безпосередньо в якості палива або для виробництва біопалива [1-5]. На сьогоднішній день відомо близько 20 видів швидкоростучих рослин, які можна вирощувати для отримання рослинної біомаси. Це евкаліпт, тополя, верба, міскантус та інші. Зібрана біомаса використовується для виробництва теплової та електричної енергії, може бути сировиною для виробництва твердого біопалива, як паливні гранули і брикети.
Серед усіх енергетичних рослин у світі саме верба сьогодні використовується у світі як основна енергетична культура для виробництва твердого палива. Найбільший досвід у її продукуванні і вирощуванні мають такі країни як Швеція, Англія, Ірландія, Польща, Данія. Найбільші плантації верби на сьогодні у Швеції, які складають приблизно 18000…20000 га, в Польщі – більше 6000 га.
В Україні, незважаючи на велику кількість незадіяних земель несільськогосподарського призначення, промислових посадок енергетичних рослин поки що недостатньо.
Цивілізований світ усе більше переконаний: прив’язувати себе до газу – небезпечно. Тому актуальним є питання перспектив вирощування й використання енергетичної верби для енергетичної безпеки України з огляду на сучасні виклики та процеси у світі. Але в багатьох господарствах досі не знають, з огляду на свої можливості та паливні характеристики енергетичних культур, яким культурам надати перевагу та від яких культур найбільший економічний ефект. Також існує проблема підвищення якості збирання, зберігання та переробки енергетичної верби. Усе це надихнуло авторів проаналізувати окремі дослідження в цьому напрямку.
Аналіз останніх досліджень і публікацій свідчить про те, що незважаючи на досить активний в останні роки розвиток застосування енергетичної верби в Україні, існує ряд проблем, які вимагають розв’язання. Одна з них – відсутність ефективних технологій та технічних засобів для збирання енергетичної верби в умовах України [1-5]. У господарствах відсутня спеціалізована техніка для збирання енергетичної верби, а закордонна техніка має високу ціну та є недоступною для більшості наших господарств. Для залучення інвестицій в цю галузь мало розкриті перспективи вирощування та застосування цієї культури в Україні.
Мета дослідження – проаналізувати перспективи вирощування та застосування енергетичної верби в сучасних умовах України.
Результати дослідження. Енергетична верба – деревоподібна культура, що дозволяє створювати високопродуктивні плантації (рис.) з тривалим терміном існування. Представляє собою кущ або кущоподібне дерево висотою до 6…8 м. Енергетична верба є густозростаючою, має велику кількість пагонів, якими досить легко розмножується. Культура характеризується високими показниками приросту по довжині – до 3…5 см на день, в середньому 1,5 м в рік. Деревина верби в порівнянні з більшістю інших деревних порід відносно легка [1-3].

Насадження верби залишаються продуктивними 20-30 років, а врожай протягом цього періоду можна збирати кожні 2-3 роки. Середній врожай верби становить 10…12 т сухої маси з га за рік. Найбільший врожай отримують на 4-5 рік вирощування – 16…20 сух. т/га/рік. За даними деяких авторів, при особливо сприятливих умовах врожай може досягати 30…40 сух. т/га/рік [1-3]. Ступінь виснаження землі вербою в 3-5 разів нижче, ніж зерновими культурами, до того ж близько 60…80% поживних речовин повертаються в землю разом з опалим листям. Позитивною властивістю верби є стійкість до морозів, до шкідників і хвороб. Вона може рости на ґрунтах різного типу, на заболочених і непродуктивних землях. Звичайно, на землях низької якості культура зростає не так швидко як в сприятливих умовах, однак інтенсивному росту допомагає добре розвинена коренева система.
Особливістю верби є те, що вона може випаровувати з ґрунту велику кількість води. Так можна вирішити проблему осушення ґрунтів з великим обсягом підземних вод або захистити землю від заболочування. В період інтенсивної вегетації плантація верби може випаровувати 300…800 тис. л/га в залежності від щільності посадки. Крім того, культура здатна абсорбувати великі кількості металевих мікроелементів, що призводить до очищення забруднених ґрунтів і стічних вод (при поливанні плантації стічними водами) [1-3].
Посадку верби доцільно проводити ранньою весною, відразу після морозів, оскільки в цей період вологість ґрунту є найбільш сприятливою. Посадка може виконуватися вручну або механізовано. При ручній посадці використовують саджанці завдовжки близько 20 см, при механізованій – саджанці 1,5…2 м, які ріжуться в процесі посадки машинним способом на черешки 18…20 см. Ґрунт має бути відповідним чином підготовлений – зораний, прокультивований і очищений від бур’янів. Щільність посадки становить 15…20 тис. шт./га. У перші місяці особливу увагу слід приділяти контролю бур’янів, поки кущі культури ще не зімкнуться і не закриють бур’яни.
Після першого року росту культуру необхідно зрізати на висоті до 5 см від землі для стимулювання процесу кущіння.
Збирають вербу після закінчення вегетації, тобто з жовтня-листопада по березень-квітень, але переважно в зимовий період (після опадання листя). З енергетичної точки зору найкращим є врожай культури при 3-річному і більше циклі збору. До цього моменту діаметр стебел рослин становить близько 28…31 мм, висота – 5…6 м. З однієї плантації можна збирати врожай 7-8 разів (при 3-річному циклі), після чого необхідно провести рекультивацію. Ліквідація плантації являє собою відносно просту операцію через неглибоку кореневу систему культури. Навесні при висоті пагонів близько 20…30 см необхідно внести гербіцид, зрізати гілки і приорати. Восени землю вже можна використовувати для вирощування інших культур.
За даними фахівців Інституту біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН України для умов України перспективною є верба – Salix, яка дає можливість створення сортів і гібридів для різних напрямів використання. Для енергетичних цілей використовують вербу виду Salix Viminalis (верба прутоподібна) та її похідні [1].
Відомими є ряд технологій збирання енергетичної верби (комбайнова, проміжна, ручна, частково механізована, роздільна, снопова, пагонна, рулонна), які різняться за рівнем механізації, затратами праці, витратами матеріально-технічних ресурсів, комплексом машин тощо. У деяких країнах пагони верби збирають за допомогою спеціальних прес-підбирачів, обладнаних зрізувальними, подрібнювальними і пресувальними робочими органами. Прес-підбирачі для збирання деревних культур короткої ротації за один прохід по полю зрізують рослини, подрібнюють їх та формують рулони. Далі ці рулони верби навантажують і транспортують до місця переробки, де їх подрібнюють на тріску деревоподрібнювальними машинами, які оснащенні великогабаритними бункерами. Закордонні машини мають надзвичайно високі ціни і тому є недоступними переважній більшості вітчизняних господарств.
Для забезпечення своєчасного, швидкого, доброякісного збирання та переробки рослинних матеріалів в сучасній світовій практиці поширені операції формування великих тюків циліндричної форми – рулонів. На сьогодні це одні з головних операцій в ресурсоощадних технологіях збирання рослинних матеріалів, які виконуються рулонними прес-підбирачами. Формування великих тюків циліндричної форми за допомогою рулонних прес-підбирачів має такі переваги: а) краща, в порівнянні з прямокутними тюками, стійкість проти проникнення атмосферної вологи і, як наслідок, можливість зберігання деякий час обмотаних шпагатом рулонів на полі без погіршення їх якості; б) простота конструкції обмотувальних апаратів рулонних прес-підбирачів і можливість використання дешевих видів шпагату; в) відносно низька питома металомісткість (до 1 т/(гагод)) і енергомісткість (до 15 кВт/(гагод)) рулонних прес-підбирачів за достатньо великої їх продуктивності (до 2 га/год) та відносно низької вартості; г) циліндрична форма тюка дає можливість повністю механізувати всі наступні операції після збирання рослинних матеріалів; ґ) рулонна технологія збирання найбільш повно забезпечує збереження якості продукції.
Верба відноситься до легких порід деревини з густиною 460 кг/м3 при нормалізованій вологості 12%. Для порівняння, сосна має густину в 510…520 кг/м3 (за різними джерелами). Мінімальна теплота згоряння сухої вербової деревини складає 18,5 МДж/кг, що майже дорівнює аналогічному показнику хвойних порід.
При збиранні урожаю отримують тріску вологістю 50…53% з нижньою теплотою згоряння 8 МДж/кг або 1900 ккал/кг. Цього достатньо для використання вербової тріски в сучасних котлах на киплячому шарі, які сьогодні успішно починають використовувати в розвинених країнах. Якщо використовувати тріску тільки на виробництво тепла в невеликих водогрійних котлах (0,6…1 МВт), то для більш ефективного згоряння потрібно, щоб тріска мала вологість 35…40%. Цього можна досягнути за рахунок зберігання біомаси під накритим приміщенням з хорошою циркуляцією повітря.
З одного гектару плантації можна отримувати 10…12 сухих тонн енергетичної верби на рік. З одного гектару плантації для розрахунків візьмемо величину 10 odt (oven dry tone / повністю суха тонна / атро-тонна – показник, який використовується для позначення ваги абсолютної сухої деревини). Нижча теплота згоряння атро-тонни становить 18,5 ГДж/т, відповідно один гектар вербової плантації дає 185 ГДж енергії на рік, що еквівалентно 5,16 тис. кубометрів природного газу. При сьогоднішніх цінах на природний газ в Україні для установ і організацій (з 1.11.2014р. становить 6726,72 грн. за тисячу кубометрів), вартість газу, еквівалентного 1 га плантацій верби, приблизно дорівнює 35 тисяч гривень. Як доводять розрахунки, затрати на те, щоб зібрати і доставити 10 odt, будуть становити приблизно 13 тисяч гривень (включаючи амортизацію біологічних активів). Різниця вартості ресурсів у 22 тис. грн. – це привід задуматись над реконструкцією котельних установок з природного газу на біопаливо як місцевий вид енергоресурсів.
Висновки. Енергетична верба – це: відновлювальне тверде біопаливо органічного походження; екологічно чиста сировина для виробництва паливних гранул; біопаливо, яке придатне до спалювання безпосередньо в котлах для біомаси; джерело енергії, яке при згорянні в котлах не порушує баланс вуглецю в атмосфері; різновид твердого біопалива, промислове виробництво теплової та електричної енергії з якого двічі дешевше у порівнянні з використанням газу; культура, урожайність якої в перерахунку на калориметричні показники найбільша серед інших енергетичних рослин, і досягає 20 тон сухої маси з 1 гектара.
Енергетична верба впливає на екологію і довкілля так: 1) один гектар плантації енергетичної верби поглинає з повітря понад 200 тон СО2 за 3 роки; 2) ідеально підходить для засадження забруднених та земель, малопродуктивних з точки зору вирощування сільськогосподарських культур; 3) ефективно застосовується у протиерозійних заходах для укріплення ґрунтів; 4) збагачує ґрунти мінералами та мікроелементами, поживними речовинами природного походження; 5) плантації енергетичної верби є природними фільтрами для видалення відходів агропромислового виробництва, застосовуються як буферні зони в місцях накопичення біологічних відходів фермерських господарств; 6) енергетична верба є природним фільтром для очищення ґрунтів від пестицидів.
Для людини та зручності її проживання енергетична верба має ще й таке значення: 1) верба завдяки своїй стійкості та швидкому зростанню є ідеальним екологічно чистим природним рішенням для захисту від вітру та сонячного світла і створення природного мікроклімату в місцях проживання людей; 2) з енергетичної верби виготовлюють елементи ландшафтного дизайну, декоративні загородки, паркани; 3) лоза енергетичної верби використовується в народних ремеслах; 4) навколо плантацій покращується біологічне різноманіття флори та фауни.
Впровадження сучасних технологій збирання енергетичної верби в господарствах України дасть можливість збільшити виробництво твердого біопалива і буде поштовхом до розвитку відновлюваної енергетики в державі. На нашу думку, для поширення рулонної технології збирання енергетичних культур, а насамперед верби, доцільним є створення універсального рулонного прес-підбирача зі змінними робочими органами, який би мав високі функціональні показники при збиранні різних рослинних матеріалів. А саме, щоб рулонний прес-підбирач за невеликого переобладнання в господарствах міг мати поєднання різних робочих органів, а конструкція машини дозволяла змінювати їх параметри та режими роботи. Наприклад, встановлений різальний чи підбиральний апарат, а пресувальна камера може бути змінного чи сталого об’єму тощо.

Література
1. Біоенергетична асоціація України [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.uabio.org/. – Назва з екрану.
2. SALIX energy [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.salix-energy.com/. – Назва з екрану.
3. Technologie zbioru roślin energetycznych / [Chlebowski J., Klonowski J., Lisowski A., Nowakowski T., Strużyk A., Sypula M.]; pod red. A. Lisowskiego. – Warszawa: SGGW, 2010. – 146 s.
4. Хайлис Г.А. Механика растительных материалов / Хайлис Г.А.  К. УААН, 2002.  374 с.
5. Думич В. Технології збирання верби / В. Думич // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України. Зб. наук. праць. Вип. 18 (32). Кн. 2. – Дослідницьке: УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого. – 2014. – С. 228-236.
Автори:
Толстушко Наталія Олександрівна, асистент,
Вржещ Микола Вікторович, доцент,
Толстушко Микола Миколайович, доцент,
Пенкаля Володимир Євгенійович, студент.