Poollooduslike rohumaade biomassi kasutamine bioenergia tootmiseks

One of the under-utilised potential agricultural sources of bioenergy feedstock is the herbaceous biomass obtained from semi-natural grasslands. For biodiversity maintenance, it is important that semi-natural grasslands are managed continuously using extensive methods (one cut per year and without seeding, fertilisation). However, many countries are facing great difficulties with consuming the biomass from these grasslands due to its low forage value. Therefore finding an alternative use of biomass from semi-natural grasslands has become a challenging option for bioenergy production. The main aim of the thesis is to evaluate the energy potential of herbaceous biomass from three Estonian semi-natural grassland types (alluvial meadow, dry to mesic meadow and wooded meadow) for bioenergy production. The share of different functional groups (grasses, legumes, sedges/rushes and other forbs), characteristics relevant for bioenergy production and factors that influence these parameters were examined. The biomass potential varies between semi-natural grassland types studied. In Estonian conditions the highest biomass yield can be obtained from alluvial meadows and this is the only type where the amount of biomass increases significantly from June to July. In alluvial meadows the largest proportion of biomass was contributed by sedges/rushes, in dry to mesic meadows the dominant functional group was grasses and other forbs group was prevalent in wooded meadows. The chemical composition and calorific value of biomass varies by functional groups. The highest cellulose concentration is in grasses and hemicellulose in sedges/rushes, while the concentration of lignin is the highest in legumes and other forbs. The average lignin and Ca concentration in biomass increases in time, but N concentration in biomass declines during summer. The highest Cl concentration is in grasses and the lowest in legumes, whilst the highest N and Ca concentration are in legumes. The other forbs group has the highest K, Mg and ash concentrations with the lowest calorific value and the sedges/rushes and legumes have lower ash content with higher calorific values. Biomass ensiling does not influence methane yield, but methane potential varies by functional groups. The feedstock-specific methane yield was the highest in grasses and sedges/rushes and the lowest in the other forbs. The highest energy potential can be obtained from alluvial meadows (>100 GJ ha-1) followed by dry to mesic meadows and wooded meadows. Theoretical energy yield through combustion is higher than that of methane production. Even with conservative assumptions about energy input (10 GJ ha-1), the energy yield from semi-natural grasslands, especially from alluvial meadows can be comparable with that of dedicated energy crops in boreal region. Alternative usage of the herbaceous biomass from semi-natural grasslands for bioenergy is a reasonable option for both sustainable management of semi-natural grasslands to achieve nature conservation goals and for embodying resource-efficiency principles.Käesoleva töö peamiseks eesmärgiks oli hinnata rohtse biomassi energeetilist potentsiaali bioenergia tootmiseks Eesti kolmel poolloodusliku rohumaa tüübil (aru-, lammi- ja puisniit). Lisaks uuriti poollooduslike rohumaade biomassi funktsionaalsete gruppide koosseisu (kõrrelised, liblikõielised, tarnad/loalised ja muud rohundid) ja bioenergia tootmiseks olulisi omadusi ning neid mõjutavaid tegureid. Uuritud poollooduslike rohumaade biomassi potentsiaal on väga varieeruv suurima keskmise saagikusega lamminiitudel, kus ainsa niidutüübina biomassi kogus juunist juulini kasvas. Funktsionaalsete gruppide osakaal sõltus rohumaa tüübist. Suurim tarnade/loaliste osakaal biomassis oli lamminiitudel. Kõrrelised domineerisid aruniitudel ja muud rohundid puisniitudel. Liblikõielisi esines kõikidel poolloodusliku rohumaa tüüpidel, aga suurim osakaal biomassis oli aruniitudel. Funktsionaalsete gruppide biomass oli erineva keemilise koostise ja kütteväärtusega. Kui tselluloosi ja hemitselluloosi sisaldus on kõrgeim vastavalt kõrrelistes ja tarnades/loalistes, siis kõige suurema ligniini sisaldusega on liblikõielised ja muud rohundid. Vastupidiselt rohtse biomassi keskmise ligniini sisalduse suurenemisele suve jooksul, langes biomassi keskmine N sisaldus, olles suurim liblikõielistes. Kõigi funktsionaalsete gruppide biomassi S sisaldus oli sarnane, suurim Cl sisaldus leiti kõrrelistes. Muud rohundid sisaldasid kõige rohkem tuhka ja K ning koos liblikõelistega ka Ca ja Mg. Biomassi keskmine Ca sisaldus suurenes suvekuude jooksul. Kõige madalam kütteväärtus oli muudel rohunditel. Uurimistöö käigus selgus, et rohtse biomassi sileerimine ei mõjutanud metaani potentsiaali. Samas sõltus see funktsionaalsest grupist - eksperimendi alguses oli metaani saagis suurim liblikõielistel ja muudel rohunditel ning eksperimendi lõpuks oli see suurim tarnadel/loalistel ja kõrrelistel. Suurim teoreetiline energiapotentsiaal (>100 GJ ha-1) on lamminiitudel ning see on võrreldav bioenergiakultuurina kasvatatava hariliku päideroo energiapotentsiaaliga. Aruniitudel on see potentsiaal ligi kaks ja puisniitudel kolm korda väiksem. Energiasaagis pindalaühiku kohta sõltub biomassi kasutusviisist. Biogaasi tootmisel on see vähem kui 60% teoreetilisest potentsiaalist, mida oleks võimalik saada, kui seda biomassi absoluutselt kuivana põletada. Kui arvestada biomassi kättesaamise kuludeks ka kuni 10 GJ ha-1 on osade poollooduslike rohumaade majandamine energiakultuuridega energeetiliselt sama otstarbekas. Seega on poollooduslike rohumaade rohtse biomassi alternatiivne kasutamine bioenergia tootmiseks võimalik ja mõistlik. See soodustaks pool-looduslike rohumaade kestlikku majandamist ja säilimist ning biomassi ressursside tõhusat kasutamist