ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIE KONOPI

Konopie siewne (Cannabis sativa L.) są ciekawą rośliną pod względem gospodarczym oraz ekologicznym.
W uprawie konopi nie jest wymagane stosowanie środków ochrony roślin, konopie są naturalnie odporne na choroby, hamują rozwój wielu chwastów, odstraszają szkodniki oraz wykorzystują siłę pokarmową zawartą w glebie. Zastosowanie właściwej agrotechniki gwarantuje prawidłowy rozwój roślin i uzyskanie wysokiego plonu biomasy, który wynosi ok. 10-15 t/ha. Konopie osiągają wysokość ponad 2,5 m a nawet 3,0 m [Venturi i in. 2007]. W przeciwieństwie do wieloletnich roślin energetycznych, konopie łatwo można wprowadzić do płodozmianu. Ze względu na swoje właściwości uprawne, konopie przyczyniają się do ulepszania systemów glebowych czyniąc korzystne warunki dla innych roślin uprawnych. Między innymi dzięki palowemu systemowi korzeniowemu rośliny doskonale przewietrzają glebę i poprawiają stosunki wodne. Specyficzna rurowa budowa łodyg konopi w połączeniu z trudno rozkładającą się krystaliczną strukturą celulozy i substancji celulozowo podobnych, powoduje ograniczone usieciowienie mineralnego składu warstw gleby wskutek czego wytwarzają się naturalne, organiczne kanały. Umożliwiają one dostęp powietrza i przepływ wody oraz gazów glebowych. Dlatego konopie wpływają na poprawianie struktury gruzełkowatej gleb i stanowią dobry przedplon w płodozmianach z dużym udziałem zbóż. Palowy system korzeniowy wzrastający w glebę prostopadle do głębokości 1,0-1,5 m spulchnia glebę, a same rośliny pobierają wodę z głębszych warstw.
Konopie siewne, wykorzystano jako roślinę przyspieszającą procesy rekultywacji gleb na terenach po kopalni odkrywkowej węgla brunatnego w gminie Kazimierz Biskupi.
Rekultywacja polega na uprawie konopi w płodozmianie z lucerną siewną i następnie przyorywaniu otrzymanej biomasy w celu przyspieszenia odbudowy warstwy próchniczej w glebie.

Prowadzone badania

Celem prowadzonych badań było określenie ciepła spalania biomasy konopi oraz wykazanie możliwości wykorzystania konopi uprawianych na zrekultywowanych terenach pokopalnianych na cele energetyczne.
Konopie siewne są rośliną, z której pozyskuje się włókno z przeznaczeniem głównie na cele techniczne. Produktem ubocznym z procesu wydobycia włókna są paździerze, czyli drewnik. Jednym z kierunków wykorzystania paździerzy konopnych są cele energetyczne.
Z przerobu słomy konopnej otrzymuje się ok. 25% włókna i 75% paździerzy. Na cele energetyczne, zgodnie z zapisami obowiązującej w Polsce Ustawy o przeciwdziałaniu narkomanii z 2005 r., można przeznaczać tylko surowiec odpadowy powstający w procesie wydobycia włókna [Dz.U. 2005 Nr 179 poz. 1485].
Konopie charakteryzują się wysokim plonem biomasy wynoszącym nawet 15 t/ha, co stanowi prawie trzykrotnie większą wartość w porównaniu do plonu słomy zbóż. Przy wykorzystaniu słomy zbożowej na cele energetyczne zachodzi konieczność jej wcześniejszego dosuszenia.
Wartość opałowa pszenicy wilgotnej wynosi ok. 12,9 MJ/kg, a dosuszonej 17,3 MJ/kg, jęczmienia ok. 12,0 MJ/kg, po dosuszeniu 16,1 MJ/kg [Tymiński 1997]. Konopia, w przeciwieństwie do wymienionych zbóż czy innych roślin energetycznych, nie trzeba dosuszać, ponieważ proces technologiczny przewiduje w sposób naturalny wysychanie roślin na plantacji. Po skoszeniu w pełnej dojrzałości kwiatostanów, konopie pozostają na stanowisku do czasu dosuszenia do powietrznie suchej masy (ok. 16% wilgoci dla całych roślin). Prowadzone pomiary wykazały, że wilgotność paździerzy konopnych wynosi ok 8,5% [Kołodziej 2009], natomiast wilgotność słomy zbożowej po dosuszeniu wynosi 15%, a zrębków drzewnych aż 40% [Wirchowski 1994].
Wysokość plonów konopi jest mniejsza od plonów takich roślin uprawianych na cele energetyczne, jak kenaf (ok. 24 t/ha) czy miskantus (ok. 30 t/ha) [Kozłowski i in. 1998]. Ciepło spalania kenafu wynosi ok. 15,8 MJ/kg s. m., a miskantusa ok. 17,9 MJ/kg s. m., ale są to rośliny mało przystosowane do naszego klimatu lub wymagające wysokich nakładów na uprawę. Nie są one konkurencją dla konopi; plantację kenafu i miskantusa zakłada się z sadzonek, ponadto są to rośliny wieloletnie, w związku z czym nie nadają się do uprawy w zmianowaniu.
Ciepło spalania konopi, w zależności od części rośliny, wynosi od 18 do 19 MJ/kg s. m. Najwyższym ciepłem spalania, wynoszącym 19,8 MJ/kg s.m., cechują się wiechy konopne, jest to o 1 MJ/kg więcej w stosunku do całych roślin. Natomiast odpad z procesu wydobycia włókna, czyli paździerze konopne, w stosunku do całych roślin cechują się ciepłem spalania niższym o ok. 5%.
Ciepło spalania konopi w zestawieniu z innymi roślinami uprawianymi na cele energetyczne przedstawia wykres (Rys. 2).
Konopie są odporne na liczne choroby i wiele grup szkodników. Dzięki czemu roślina ta nie wymaga stosowania w ochronie związków chemicznych, na produkcję których przeznacza się znaczną ilość energii i wytwarza duże ilości CO2. Największy wpływ na występowanie efektu cieplarnianego ma emisja dwutlenku węgla (55%) [Grzybek i in. 2001]. W celu ograniczenia skutków efektu cieplarnianego, pożądanym jest wprowadzanie do upraw roślin cechujących się zarówno zwiększoną absorpcją dwutlenku węgla z atmosfery oraz zwiększoną retencją węgla w glebie.
Przy użyciu kalorymetru stożkowego określono poziom emisji CO2 wytypowanych surowców roślinnych. Z prowadzonych badań (Rys. 3) wynika, że konopie w trakcie wzrostu pochłaniają ponad dwa razy więc CO2 w stosunku do uwalnianego gazu w trakcie spalania.
Strumień emisji CO2 jest znacznie niższy w porównaniu do emisji podczas spalania słomy pszennej czy miskantusa.

Wnioski

Konopie, z uwagi na swoje właściwości (duża ilość biomasy oraz dobrze rozwinięty system korzeniowy), wykorzystywane są w rekultywacji terenów po kopalnianych w realizowanym w Instytucie Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich. Projekt dofinansowany jest przez Unię Europejską oraz Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Wysoki plon suchej masy po jej przyoraniu przyspiesza odbudowę warstwy próchniczej w rekultywowanej glebie. Zawartość celulozy i substancji celulozo podobnych w suchej masie łodyg konopi wynosi 70-75%. W projekcie, obok konopi, wykorzystywana jest również lucerna. Połączenie w płodozmianie uprawy konopi dającej duży plon celulozy, w skład której wchodzi węgiel, tlen i wodór, z uprawą lucerny wytwarzającej, dzięki symbiozie z bakteriami brodawkowymi, dużo azotu, stanowi swoisty kompozyt biologiczny, ułatwiający tworzenie warstwy próchniczej.
Po zakończeniu rekultywacji na terenach pokopalnianych z powodzeniem można uprawiać konopie siewne. Prowadzone badania wykazały, że otrzymaną z upraw biomasę, oprócz tradycyjnych kierunków zastosowania (przemysł celulozowo-papierniczy, budowlany czy materiałów kompozytowych), można również przeznaczyć na cele energetyczne.
Rys. 1. Ciepło spalania poszczególnych frakcji konopi (badania własne)Rys. 2. Ciepło spalania roślin uprawianych na cele energetyczne (badania własne)Rys. 3. Emisja CO2 podczas spalania materiału roślinnego (badania własne)